Einbindung in den Trocknungsprozess

Innerhalb des Trocknungsprozesses stellen der Wirbelschichttrockner selbst sowie die feingemahlene RBK mo gliche Wa rmesenken dar. Die verschiedenen Nutzungsvarianten sind in Abbildung 5.34 schematisch dargestellt.

Abbildung 5.34: Schema der Brüdennutzungsvarianten im Trocknungsprozess

Aufgrund der moderaten Temperaturdifferenz zwischen der Sattdampftempe-ratur der aus dem Trockner austretenden Bru den und der fu r die Beheizung des Trockners erforderlichen Kondensationstemperatur des Heizdampfs bie-tet es sich an, die Bru den unter Ausnutzung des Wa rmepumpenprinzips zu verdichten und zur Beheizung der Trockner zu nutzen (Variante Tr1).

Wie in Kapitel 5.2.1 dargestellt, entfa llt ein wesentlicher Teil der bei der Trock-nung auftretenden Exergieverluste auf die Aufheizung der mit einer Tempera-tur von ca. 17 °C in den Trockner eintretenden Rohfeinkohle. Die fu hlbare Wa rme des bei Variante Tr1 anfallenden Bru denkondensats kann genutzt wer-den, um die Kohle vor Eintritt in den Trockner vorzuwa rmen (Variante Tr2).

Alternativ kann die Vorwa rmung der Rohfeinkohle u ber einen Zwischenkreis-lauf durch Kondensation eines Bru denteilstroms ohne vorgelagerte Verdich-tung erfolgen (Variante Tr3). Zum Vergleich wird außerdem die Kohlevorwa r-mung durch Unterku hlung des Prozessdampfkondensats untersucht (Variante Tr4). Im Folgenden werden die genannten Varianten detailliert un-tersucht und verglichen.

5.5 Bru denwa rmenutzung

Verdichtung der Brüden zur Beheizung der Trockner

Die Sattdampftemperatur der aus den Trocknern austretenden Bru den liegt bei einem kohleseitigen Systemdruck von 1,1 bar bei 102,3 °C und bei einem kohleseitigen Systemdruck von 6,0 bar bei 158,8 °C. Die fu r die Beheizung der Trockner erforderliche Kondensationstemperatur des Prozessdampfs unter-scheidet sich von der Kondensationstemperatur der Bru den um die U berhit-zung der Wirbelschicht und die Gra digkeit der Trockner. Die U berhitberhit-zung der Wirbelschicht muss, um einen Wassergehalt der TBK von 12 % zu erreichen, entsprechend Gleichung (2.12) und Tabelle 2.1 bei einem kohleseitigen Sys-temdruck von 1,1 bar bei 8,9 K und bei einem kohleseitigen SysSys-temdruck von 6,0 bar bei 4,9 K liegen. Die Gra digkeit der Trockner betra gt bei Volllast der Trockner 30 K und variiert entsprechend Gleichung (2.13) in Abha ngigkeit von der Verdampfungsleistung der Trockner. Entsprechend mu ssen die Bru den bei einem kohleseitigen Systemdruck von 1,1 bar auf einen Druck von 3,6 bar ver-dichtet werden, um die fu r die Beheizung erforderliche Sattdampftemperatur von 140,3 °C zu erreichen. Bei einem kohleseitigen Systemdruck von 6,0 bar liegt die erforderlichen Sattdampftemperatur des Heizdampfs bei 192,6 °C, was einem Druck von 13,3 bar entspricht.

Abbildung 5.35: Druckverhältnis der Brüdenverdichter, erforderliche Überhitzung der Wirbelschicht, um einen Wassergehalt der TBK von 12 % zu erreichen, und auf die

Leistung des Brüdenverdichters eines Trockners mit einem kohleseitigen System-druck von 1,1 bar bezogene Leistung der Brüdenverdichter in Abhängigkeit vom

koh-leseitigen Systemdruck der Trockner

Aufgrund der beschriebenen, mit steigendem Trocknerdruck abnehmenden U berhitzung der Wirbelschicht und der Eigenschaft von Dampf, dass mit zu-nehmendem Druck eine geringere Druckerho hung erforderlich ist, um die glei-che Erho hung der Sattdampftemperatur zu erreiglei-chen, sinkt der spezifisglei-che Energieaufwand fu r die Bru denverdichtung mit steigendem kohleseitigen Sys-temdruck der Trockner (vgl. Abbildung 5.35). Diese Zusammenha nge erkla ren auch die in Abbildung 5.36 zu erkennende unterschiedliche Sensitivita t der Wirkungsgradsteigerung durch Nutzung von Variante Tr1 auf den Wirkungs-grad der Bru denverdichter und die Stufenanzahl.

Fu r die Bru denverdichter sind die Anzahl der Verdichterstufen und der poly-trope Wirkungsgrad der Stufen mo gliche Variationsparameter. Ihr Einfluss auf den Nettowirkungsgrad ist in Abbildung 5.36 dargestellt. Da die niedrigeren Exergieverluste der Bru denverdichtung die ho heren Exergieverluste der Trocknung (vgl. Kapitel 5.2.1) nicht u berkompensieren ko nnen, ist die abso-lute Nettowirkungsgradsteigerung bei einem kohleseitigen Systemdruck von 1,1 bar ho her als bei einem kohleseitigen Systemdruck von 6,0 bar.

5.5 Bru denwa rmenutzung

Abbildung 5.36: Nettowirkungsgradsteigerung gegenüber dem

RBK-Referenzkraftwerk in Abhängigkeit von der Stufenanzahl der Brüdenverdichter, vom polytropen Wirkungsgrad der Verdichter und vom kohleseitigen Systemdruck der

Kohletrockner

Generell reicht die Wa rme aus den Bru den fu r die Beheizung der Trockner nicht aus, sodass zusa tzlich Prozessdampf aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf fu r die Trocknung aufgewendet werden muss. Aufgrund der mit steigendem kohleseitigen Systemdruck durch Nachentwrasen und Leckagen zunehmen-den Bru zunehmen-denverluste (vgl. Kapitel 2.8), der sinkenzunehmen-den Konzunehmen-densationsenthalpie des Heizdampfs und der abnehmenden Einspritzmassenstro me zwischen den Verdichterstufen nehmen der zusa tzlich erforderliche Prozessdampfmassen-strom und damit die Drosselverluste am Prozessdampfregelventil der Trock-ner mit steigendem kohleseitigen Systemdruck zu (vgl. Tabelle 5.4).

Fu r einen Quervergleich verschiedener Abwa rmenutzungsvarianten und die weitere Optimierung wird ein System mit zweistufigen Verdichtern, die einen polytropen Wirkungsgrad von 85 % haben, ausgewa hlt. Wesentliche Berech-nungsergebnisse fu r diese Konfiguration sind in Tabelle 5.4 zusammengefasst.

Tabelle 5.4: Berechnungsergebnisse für den Auslegungspunkt von TBK-Kraftwerken mit zweistufiger Brüdenverdichtung bei einem polytropen Wirkungsgrad der

Ver-dichterstufen von 85 %

Prozessdampfmassenstrom kg/s 23,4 49,3

EBel der Verdichter MWel 27,1 18,7

∆𝜂_𝑛𝑒 ggu .

RBK-Referenzkraftwerk %-Pkt. +5,55 +5,04

∆𝜂_𝑛𝑒 ggu . TBK-Kraftwerk

ohne Bru dennutzung %-Pkt. +1,69 +2,63

Vorwärmung der Rohbraunkohle

Die aus thermodynamischer Sicht maximal mo gliche Temperatur, auf die die Kohle erwa rmt werden kann, ha ngt vom kohleseitigen Systemdruck der Trock-ner ab. In Anlehnung an die Informationen aus den in Kapitel 1.4.3 genannten Vero ffentlichungen wird bei einem kohleseitigen Systemdruck der Trockner von 1,1 bar bei Variante Tr2 die Temperatur der Kohle am Austritt des Roh-kohlevorwa rmers auf 70 °C eingestellt. Um die Vergleichbarkeit der o. g. Vari-anten Tr2 bis Tr4 zur Vorwa rmung der RBK sicherzustellen, wird fu r die ande-ren Varianten die Temperatur der Kohle am Austritt des Rohkohlevorwa rmers so eingestellt, dass sich fu r alle Varianten die gleiche mittlere logarithmische Temperaturdifferenz u ber den Rohkohlevorwa rmer ergibt. Da davon auszuge-hen ist, dass der Wa rmeu bergang im Rohkohlevorwa rmer vom Wa rmeu ber-gangskoeffizienten auf der Kohleseite bestimmt wird, ist durch diese Herange-hensweise gewa hrleistet, dass A nderungen der erforderlichen Wa rmetauscherfla che im Wesentlichen aufgrund von Unterschieden bei der u bertragenen thermischen Leistung hervorgerufen werden. In Tabelle 5.5 sind nach dieser Methode ermittelte Berechnungsergebnisse fu r die verschiedenen Varianten aufgefu hrt.

5.5 Bru denwa rmenutzung

Tabelle 5.5: Berechnungsergebnisse für den Auslegungspunkt von TBK-Kraftwerken mit Vorwärmung der RBK vor Trocknereintritt

Einheit Variante Die Abha ngigkeiten der Nettowirkungsgradsteigerung gegenu ber dem RBK-Referenzkraftwerk und der logarithmischen Temperaturdifferenz des Rohkoh-levorwa rmers von der Temperatur der RBK am Austritt des RohkohRohkoh-levorwa r-mers sind fu r die verschiedenen Varianten im Anhang in Abbildung A.30 und Abbildung A.31 dargestellt.

Der Variantenvergleich zeigt, dass mit den Varianten Tr2 und Tr3 insbesondere bei der druckaufgeladenen Trocknung eine deutliche Wirkungsgradsteigerung durch die Vorwa rmung der RBK erzielt werden kann. Somit ist aus thermody-namischer Sicht die Umsetzung von Variante Tr2 als Erga nzung zu Variante Tr1 in jedem Fall sinnvoll, da keine andere Variante die thermische Nutzung des Bru denkondensats vorsieht. Fu r die Beurteilung von Variante Tr3 ist ein Abgleich mit alternativen Bru dennutzungsverfahren erforderlich, da hier die Kondensationsenthalpie der Bru den genutzt wird. Im Fall der druckaufgelade-nen Wirbelschicht ist außerdem zu beachten, dass zur Realisierung des in Ta-belle 5.5 aufgefu hrten Wirkungsgradpotentials Kohletemperaturen erforder-lich sind, die mit bei atmospha rischem Druck betriebenen Vorwa rmern nicht zu erreichen sind.