Устройство и способ для повышения продолжительности срока эксплуатации топочной установки, а также топочная установка, снабженная данным устройством

Изобретение относится к области энергетики. Устройство для повышения срока службы топочной установки включает в себя, по меньшей мере, один газоведущий конструктивный элемент (4), при этом направляемый газ имеет загрязняющие компоненты (3). По меньшей мере, один газоведущий конструктивный элемент (4) имеет слой (5), причем слой (5) при загрузке газом, при отложении загрязняющего компонента (3) на слой (5), по меньшей мере, совместно частично с загрязняющим компонентом (3) является самостоятельно отделяемым посредством газового потока, и, по меньшей мере, один газоведущий конструктивный элемент (4) представляет собой перфорированную диафрагму (1) с некоторым числом отверстий (7). Загрязняющие компоненты представляют собой частицы твердого материала. Загрязняющие компоненты являются продуктом возникающей из-за газообразного соединения в газе химической реакции с газоведущим конструктивным элементом (4), которая приводит к осаждению на поверхности газоведущего конструктивного элемента (4). Отделяемый слой (5) имеет кристаллографическую структуру, которая способствует отделению при нагружении газом и имеет толщину от 10 мкм до 100 мкм, в частности от 20 мкм до 60 мкм. Отделяемый слой (5) содержит борнит. Отделяемый слой (5) состоит из гексагонального нитрида бора. Отделяемый слой (5) наносится на газоведущий конструктивный элемент (4) посредством способа распыления. По меньшей мере, один газоведущий конструктивный элемент (4) состоит из металла или металлического основного материала, в частности сплава на основе никеля. Изобретение позволяет повысить срок эксплуатации топочных установок. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к устройству для повышения срока службы топочной установки, включающей в себя, по меньшей мере, один газоведущий конструктивный элемент. При этом газ имеет загрязняющие компоненты. Кроме того, изобретение относится к способу для повышения срока эксплуатации топочной установки.

В прошлое десятилетие в глобальном масштабе сооружалось множество электростанций, в основе которых лежит комбинированный газо- и паротурбинный процесс и с помощью которых может заметно сокращаться выброс вредных веществ. Эти электростанции на профессиональном жаргоне называют GUD-электростанциями.

В низшей форме GUD-электростанций, так называемых I-GCC-электростанций (IGCC является аббревиатурой обозначения "Integrated Gasification Combined Cycle" - комбинированный цикл интегрированной газификации), GUD-электростанция имеет дополнительно встроенную систему газификации топлива, посредством которой жидкое (например, масло) или твердое топливо (например, каменный или бурый уголь) или биомасса, в газогенераторе преобразуется в синтез-газ, который в итоге сжигается в газовой турбине. Перед сгоранием, как правило, производится очистка синтез-газа. Рассматривая в целом, таким образом, вредные вещества удаляются уже перед сгоранием или вообще не возникают.

Для газификации топлива для получения синтез-газа требуется кислород. Для выработки кислорода IGCC-электростанции имеют установки разложения воздуха, в которых из окружающего воздуха за счет фракционированной дистилляции, наряду с требуемым кислородом, вырабатывается, прежде всего, азот. Синтез-газ должен перед дальнейшей обработкой охлаждаться. При этом возникает пар, который, в числе прочего, участвует в выработке тока в паровой турбине IGCC-электростанции. После охлаждения газа фильтры задерживают сначала частицы золы, а затем, при необходимости, может быть также отделена двуокись углерода. Другие вредные вещества, такие как соединения серы или тяжелые металлы, также связываются посредством химических или физических способов. Тем самым реализуется чистота топлива, необходимая для работы газовых турбин, и незначительные выбросы IGCC-электростанций.

Синтез-газ перед камерой сгорания газовой турбины, при необходимости, смешивается с азотом из установки разложения воздуха и/или с водяным паром, чтобы кондиционировать смесь горючих газов соответственно требованиям газовой турбины. Рабочий газ, возникающий затем в результате сгорания в воздухе, расширяется в турбинных ступенях газовой турбины.

После расширения рабочего газа в газовой турбине и последующего использования вторичного тепла в парогенераторе отработанный газ выбрасывается в атмосферу.

Потоки пара из системы охлаждения исходного газа и отработанного газа объединяются и совместно подводятся к паровой турбине. После расширения в паровой турбине пар посредством конденсатора конденсируется, и конденсат через резервуар питательной воды подается в цикл циркуляции воды или пара.

Подобная IGCC-установка известна, например, из W0 03/008768. Эта установка содержит устройство газификации, в котором уголь в форме частиц сжигается вместе с кислородом и паром с образованием синтез-газа (парциальное окисление). Синтез-газ -после нескольких шагов подготовки - как газообразное топливо подается в камеру сгорания газовой турбины.

Однако проблематичным здесь является то, что компоненты загрязнения, как, например, мелкие частицы золы, осаждаются как отложения на газоведущих магистралях, а также находящихся в них устройствах, таких как фильтры или вентили, или вентилеподобные устройства. Газ также может содержать газообразные соединения (металлов), например, железа и никель-карбонила, которые за счет реакции на металлических элементах также приводят к осаждению на конструктивных элементах. Это приводит к образованию осадка в форме железа или никель-карбонила на конструктивных элементах топочной установки, что делало необходимым циклическое очищение и, тем самым, значительно ухудшало работоспособность IGCC-электростанции.

Эти отложения должны тогда перед собственно планируемым техническим обслуживанием установки удаляться и очищаться или замещаться. Для этого установка должна останавливаться, что ведет к дополнительным расходам.

Поэтому задачей изобретения является предоставление устройства для повышения срока эксплуатации топочных установок, в частности установок синтез-газа, причем установка имеет газоведущие конструктивные элементы, при этом газ содержит загрязняющие компоненты. Другой задачей является предоставление способа для повышения срока эксплуатации топочных установок.

Относящаяся к устройству задача в соответствии с изобретением решается за счет предоставления устройства для повышения срока эксплуатации топочных установок, содержащих, по меньшей мере, один газоведущий конструктивный элемент, причем направляемый газ содержит загрязняющие компоненты, и причем, по меньшей мере, один газоведущий элемент имеет слой, причем слой при загрузке газом, при осаждении загрязняющего компонента на слое, по меньшей мере, вместе частично с загрязняющим компонентом является самостоятельно отделяемым посредством газового потока.

Изобретение исходит из того факта, что загрязняющие компоненты осаждаются на конструктивный элемент и не могут отделяться посредством протекающего газа. Поэтому в изобретении предусматривается, что конструктивные элементы должны быть подходящим образом снабжены покрытием. Кроме того, в изобретении предусматривается, что поставленную задачу решает отделяемое покрытие. А именно если теперь загрязняющий компонент осаждается на конструктивные элементы, снабженные таким покрытием, то посредством газового потока часть покрытия будет отделяться вместе с загрязняющим компонентом. Таким образом, газоведущий конструктивный элемент остается существенно более длительное время свободным от осаждения и загрязнения. Установка, таким образом, не должна заблаговременно останавливаться, чтобы удалить осаждения, так что может поддерживаться эксплуатация, не подверженная влиянию помех. Срок эксплуатации подобной установки, благодаря этому, существенно повышается.

Предпочтительным образом загрязняющие компоненты представляют собой частицы твердого материала. Они могут представлять собой, прежде всего, возникающие в IGCC-установке частицы золы.

В предпочтительном выполнении загрязняющий компонент является продуктом возникающей из-за газообразного соединения в газе химической реакцией с газоведущим конструктивным элементом, что приводит к осаждению на поверхности газоведущего конструктивного элемента. А именно газ содержит также газообразные соединения (металла), например, железа и никель-карбонила, которые из-за реакции, например, на металлических элементах также ведут к осаждению.

Предпочтительным образом отделяемый слой имеет кристаллографическую структуру, которая способствует отделению при нагружении газом.

Эта структура особенно пригодна для отделения.

Предпочтительным образом отделяемый слой содержит борнит. Нитрид бора может при температурном воздействии (до 1200) не проявлять никакой реакции с оксидом углерода. Поэтому он особенно хорошо подходит для покрытия поверхности. Он особенно хорошо подходит, так как он термоустойчив, а также устойчив к окислению до 1000°С. Кроме того, оно особенно хорошо подходит, так как он не смачивается расплавленными металлами. Также он сравнительно экономичен. Ввиду графитовой структуры осаждаемые на нитриде бора загрязняющие компоненты и другие примеси сами могут отделяться с частью слоя нитрида бора посредством газового потока.

В предпочтительном выполнении отделяемый слой наносится на газоведущий конструктивный элемент посредством способа распыления. Это является особенно предпочтительным, так как напыление слоя реализуется особенно просто. Кроме того, можно даже на маленькие отверстия в конструктивном элементе без проблем нанести покрытие. Другое преимущество состоит в том, что посредством напыления может быть создана в значительной степени равномерная толщина слоя.

Предпочтительным образом, по меньшей мере, один газоведущий конструктивный элемент представляет собой перфорированную диафрагму. Описываемое здесь устройство можно особенно хорошо применять на газоведущих перфорированных диафрагмах с некоторым числом отверстий, так как здесь может осаждаться особенно много загрязняющих компонентов, которые в значительной степени создают помехи потоку топлива.

Предпочтительным образом следует обрабатывать конструктивные элементы, которые рассматриваются как критические в отношении ресублимирования газообразно связанных вредных веществ, как, например, газоведущие компоненты горелки, на металлических поверхностях которых железо или никель-карбонил осаждаются как твердые вещества и которые требуют циклической очистки.

Предпочтительным образом топочная установка выполнена для сжигания синтез-газа. Установка на синтез-газе, как, например, установки на каменноугольном газе, особенно отличается наличием многих загрязняющих компонентов, в частности частиц золы или осаждением из-за химической реакции. Поэтому данное устройство особенно хорошо подходит для таких установок.

Задача, связанная со способом, решается способом для повышения срока эксплуатации топочной установки, включающей в себя, по меньшей мере, один газоведущий конструктивный элемент, причем направляемый газ имеет загрязняющие компоненты, так что снабженный покрытием конструктивный элемент нагружается газом, загрязняющие компоненты осаждаются на слое, и загрязняющие компоненты, по меньшей мере, совместно частично со слоем сами отделяются посредством газового потока.

Все преимущества задачи, относящейся к устройству, применимы также к способу.

В части способа в изобретении предлагается способ для повышения срока службы топочной установки, включающей в себя, по меньшей мере, один газоведущий конструктивный элемент, причем газоведущий конструктивный элемент представляет собой перфорированную диафрагму с некоторым числом отверстий, и причем направляемый газ имеет загрязняющие компоненты, при этом способ характеризуется тем, что перфорированная диафрагма нагружается газом,

загрязняющие компоненты осаждаются на слое перфорированной диафрагмы,

и загрязняющие компоненты, по меньшей мере, совместно частично со слоем отделяются посредством газового потока.

Другие признаки и преимущества вытекают из других пунктов формулы изобретения, а также описания чертежей.

В нижеследующем описании изобретение поясняется более подробно со ссылками на чертежи.

При этом в упрощенной форме и не в масштабном изображении на чертежах показано следующее:

Фиг.1 - перфорированная диафрагма без загрязняющих компонентов,

Фиг.2 - перфорированная диафрагма с загрязняющими компонентами,

Фиг.3 - устройство и способ для увеличения срока эксплуатации топочных установок.

На фиг.1 для примера показана перфорированная диафрагма 1, выполненная как газоведущий элемент, применяемая в IGCC-электростанции или в других электростанциях на каменноугольном газе или электростанциях на синтез-газе. Здесь система подвода газа выполнена с перфорированной диафрагмой 1 с отверстиями 7, чтобы получить равномерную подачу топлива. При этом фиг.1 показывает перфорированную диафрагму 1 без отложения и загрязнения.

Фиг.2 показывает массовый поток М топлива с загрязняющими компонентами 3, в данном случае представленный, к примеру, в виде частиц 3 золы в направлении 2 потока топлива. Частицы золы осаждаются на перфорированной диафрагме 1 и закупоривают таким образом отверстия 7. Это имеет следствием неравномерный газовый поток топлива. Тем самым больше невозможен беспрепятственный процесс горения. Поэтому установка должна останавливаться, и перфорированная диафрагма 1 должна очищаться или заменяться. Это связано со значительными затратами.

Фиг.3 показывает соответствующее изобретению устройство и способ. На газоведущем конструктивном элементе 4, показанном здесь фрагментарно, например перфорированной диафрагме 1, газоведущих трубах или вентилях, напылен отделяемый слой 5. Отделяемый слой имеет толщину от 10 мкм до 100 мкм, в частности от 20 мкм до 60 мкм. При этом отделяемый слой 5 предпочтительно является гексагональным слоем нитрида бора. За счет напыления достигается, по существу, равномерная толщина слоя. Загрязняющий компонент 3 в массовом потоке М осаждается на слое. Отделяемость слоя 5 обуславливает теперь то, что осажденный загрязняющий компонент 3 посредством массового потока (газового потока) в направлении 2 потока самостоятельно отделяется с частью слоя 6, то есть в процессе работы. Газоведущий конструктивный элемент 4 остается, таким образом, заметно дольше свободным от осаждений и загрязнений. Тем самым обеспечивается более равномерный поток топлива или массовый поток М. Благодаря этому можно избежать преждевременной остановки установки. При этом газоведущие конструктивные элементы могут представлять собой трубы, вентили, перфорированные диафрагмы, конструктивные элементы горелки или также собственно горелку.

В предпочтительно выполнении, по меньшей мере, один газоведущий конструктивный элемент 4 состоит из металла или металлического основного материала, в частности сплава на основе никеля.

1. Устройство для повышения срока службы топочной установки, включающей в себя, по меньшей мере, один газоведущий конструктивный элемент (4), при этом направляемый газ имеет загрязняющие компоненты (3), отличающееся тем, что, по меньшей мере, один газоведущий конструктивный элемент (4) имеет слой (5), причем слой (5) при загрузке газом, при отложении загрязняющего компонента (3) на слой (5), по меньшей мере, совместно частично с загрязняющим компонентом (3) является самостоятельно отделяемым посредством газового потока, и, по меньшей мере, один газоведущий конструктивный элемент (4) представляет собой перфорированную диафрагму (1) с некоторым числом отверстий (7).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что загрязняющие компоненты представляют собой частицы твердого материала.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что загрязняющие компоненты являются продуктом возникающей из-за газообразного соединения в газе химической реакции с газоведущим конструктивным элементом (4), которая приводит к осаждению на поверхности газоведущего конструктивного элемента (4).

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отделяемый слой (5) имеет кристаллографическую структуру, которая способствует отделению при нагружении газом.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отделяемый слой (5) имеет толщину от 10 мкм до 100 мкм, в частности от 20 мкм до 60 мкм.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отделяемый слой (5) содержит борнит.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отделяемый слой (5) состоит из гексагонального нитрида бора.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отделяемый слой (5) наносится на газоведущий конструктивный элемент (4) посредством способа распыления.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один газоведущий конструктивный элемент (4) состоит из металла или металлического основного материала, в частности сплава на основе никеля.

10. Топочная установка, выполненная для сжигания синтез-газа и содержащая устройство по любому из пп.1-9.

11. Способ для повышения срока службы топочной установки, включающей в себя, по меньшей мере, один газоведущий конструктивный элемент (4), причем газоведущий конструктивный элемент (4) представляет собой перфорированную диафрагму (1) с некоторым числом отверстий (7), и причем направляемый газ имеет загрязняющие компоненты (3), отличающийся тем, что
перфорированная диафрагма (1) нагружается газом,
загрязняющие компоненты (3) осаждаются на слое (5) перфорированной диафрагмы (1), и
загрязняющие компоненты (3), по меньшей мере, совместно
частично со слоем (5) отделяются посредством газового потока.