DD139620A1 - Kraftprozesskombination zur erzeugung von technischer arbeit - Google Patents

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DD139620A1 DD78203950A DD20395078A DD139620A1 DD 139620 A1 DD139620 A1 DD 139620A1 DD 78203950 A DD78203950 A DD 78203950A DD 20395078 A DD20395078 A DD 20395078A DD 139620 A1 DD139620 A1 DD 139620A1
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Description

Anwendung der Erfindung
Me Erfindung betrifft eine Korabination von zwei Kraftprozessen mit verschiedenen Arbeitsmitteln, der indirekt Wärme, die durch Verbrennen von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen oder durch Kernreaktionen zur Verfügung steht, übertragen wird und die einen Teil der zugeführten Wärme als technische Arbeit abgibt. Die erfindungsgemäße Kraftprozeßkombination wird als Alternative für die in großer Zahl verwendeten Dämpfkraft- und Gasturbinenprozesse sowie deren Kombinationen, die insbesondere in Kraftwerken als Antriebsverfahren für die Elektroenergieerzeugung eingesetzt werden, vorgeschlagen« Die erfindungsgemäße Kraftprozeßkombination kann auch zur Erfüllung anderer Antriebsaufgaben, z. B. im Fahrzeugbau, eingesetzt werden«
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Entsprechend den Erfahrungen mit dem II« Hauptsatz der Thermodynamik kann nur ein Teil der einem realen Kraftprozeß übertragenen bzw» im Prozeß freigesetzten thermischen Energie von diesem als technische Arbeit (Energie) abgegeben werden, während ze Z, eier größere Teil als Anergie an die Umwelt abgeführt werden muß=, Das heißt, die Enthalpie der für den Betrieb der Kraftproa.esse eingesetzten Brennstoffe wird nur zu .25 bis 45 % in technische Arbelt umgewandelt, während die abzuführende Anergie beträchtlich die Umwelt belastet» . '
Durch ständige Verbesserung der- in den Kraftprozessen eingesetzten Maschinentechnik konnten die inneren Verluste der Kraft-
Prozesse in den letzten Jahrzehnten ständig herabgesetzt werden·
Die entscheidende Voraussetzung zur Verbesserung der Brenn-= stoffausnutzung, charakterisiert durch das Verhältnis der abzugebenden technischen Arbeit zur Exergie des Brennstoffes (Heizwert des Brennstoffes), bei der Umwandlung von Primärenergie in technische Arbeit ist, daß die erforderliche thermische Energie mit einem möglichst hohen mittleren Temperaturniveau zur Verfugung gestellt und vom Kraftprozeß bei möglichst hohem mittleren Temperaturniveau aufgenommen wird, d« h., die durch die Wärmeübertragung verursachte endotherme Zustands-, änderung des Arbeitsmittels im Kraftprozeß muß bei möglichst hohen mittleren Temperaturen ablaufen.
Dieser grundsätzlichen thermodynamischen Forderung entsprechen solche in den Kraftprozessen realisierten Maßnahmen, wie Vorwärmung der Verbrennungsluft, Trocknung wasserhaltiger Brennstoffe, Absenkung des LuftÜberschusses bei der Verbrennung der Brennstoffe, regenerative Speisewasservorwärmung und Zwischenüberhitzung der im Kraftprozeß verwendeten Arbeitsmittel. Da die inzwischen zur Verfugung stehenden Werkstoffe für ungekühlte Schaufeln nach Traupel (Thermische Turbomaschinen, Springer—Verlag, Berlin-Göttingen-Heidelberg (1958), 1. und 2. Band) Turbineneingangstemperaturen um 900 C ermöglichen, wurden ebenfalls mit dem Ziel Anhebung der mittleren Temperatur der Wärmezufuhr und zur Reduzierung der erforderlichen Druckdifferenz beim Expansionsprozeß geschlossene und offene Kraftprozesse kombiniert. So ist zum Beispiel eine Kraftprozeßkombination bekannt, bei der die physikalische Enthalpie der Brennstoffe hauptsächlich 'an einen Quecksilberdampfprozeß übertragen wird, während die Kondensationswärme des Quecksilberdampfes nach Expansion zur Dampferzeugung an einen.Wasserdampfkraftprozeß übertragen wird (Wukalowitsch«, M„ P., Technische Thermodynamik, VEB Pachbuchverlag Leipzig (1962))«
In letzter Zeit wurden Kraftprozeßkonfoinationen vorgeschlagen, bei denen einem Wasserdampfkraftprozeß Gasturöinenprozesse vorgeschaltet sind* In diesen Fällen, erfolgt die Wärmeübertragung vom'Arbeitsmittel des Gasturbinenprozesses an den Wasserdampf--
€υ<§Ψ 9W ~ 3 -
kraftprozeß wie folgt:
a) Durch Verbrennen fossiler Brennstoffe unter Druck wird das Arbeitsmittel für einen offenen Gasturbinenprozeß erzeugt, lach Expansion wird ein Teil [der- noch arbeitsfähigen physikalischen Enthalpie,?des. Verbrennungsgaces an den Wasserdampfp.ro-2eß übertragen«, Die maximale Gasturbineneingangstemperatur wird gesichert durch eine Verbrennung der Brennstoffe mit großem Luftüberschuß (Luftzahl X= 3 bis 6, so daß bis zu 60 % der erzeugten technischen Arbeit wieder für die Luftverdichtung verbraucht werden) und/oder durch Kühlung der Verbrennungs~ gase vor der Gasturbineβ
b) Zur Vermeidung des hohen Eigenverbrauches an technischer Arbeit für die Luftverdichtung werden die fossilen Brennstoffe unter Druck mit Luft autotherrn. vergast, das entstehende Generatorgas wird als Arbeitsmittel in einem offenen Gasturbinenprozeß und danach als Brenngas in einer !Niederdruckfeuerung eines Dampfkraftprozesses eingesetzt (Informationen für die Gastwirtschaft, Brennstoff institut Freiberg, 7/1977/1., S, 1 - 12)·
Obwohl durch die bekannten Kraftprozeßkombinationen gegenüber dem Waoserdampfkraftprozeß die mittlere Temperatur der 'Wärmeübertragung an den Kraftprozeß angehoben werden kann, sind insbesondere aus thermodynamischer Sicht Ansatzpunkte für die weitere Verbesserung der Brennstoffausnutzung gegeben* Beim Quecksilber/Wasserdampfprozeß wird das Niveau der mittleren Temperatur der '//armeζufuhr besonders durch die Siedetemperaturen des Quecksilbers bestimmt, die im technischen Betrieb zwischen 500 und 550 C realisiert werden können, wenn die erforderlichen Quecksilbermengen ökonomisch zur Verfugung stehen» Bei den bekannten Prozeßkombinationen mit vorgeschaltetem Gasturbinenprozeß wird die mittlere Temperatur der Wärmezufuhr durch die rein physikalisches endotherme Zustandsänderung des Arbeitsmittels im Gasturbinenprozeß, die annähernd isobar verläufts ent- scheidend beeinflußte
Im Falle der Verwendung von Druckvergasungsgas.als Arbeitsmittel im Gasturbinenprozeß wird zwar Verdichterleistung im Gasturbinenprozeß eingespart, der Anteil des Gasturbinenprozesses an der Gesamtleistung der Prozeßkombination ist aber gering* da
nur die physikalische Enthalpie des Vergasungsgases im Gasturbinenprozeß in technische Arbeit umgewandelt werden kann, während die chemische Enthalpie des Vergasungsgases nach dem Verbrennung svorgang im Kormaldruckbereich, wie beim einfachen Wasserdampfprozeß, unter bedeutendem Exergieverlust an den Wasserdampf kraftprozeß übertragen wird.
Ziel der Erfindung
Die Erfindung hat das Ziel, den spezifischen Verbrauch an Primärenergie pro Einheit abzugebender technischer Arbeit und damit den Anteil abzuführender Anergie sowie den maschinentechni-SCheη Aufwand zu senken.
Darstellung des Wesens der Erfindung
Die Erfindung setzt den mit der Entwicklung der Kraftprozeßkombinationen, bestehend aus Gasturbinen- und Dampfkraftprozeß, eingeschlagenen verfahrenstechnischen Weg "fort. Das Ziel der Erfindung wird dabei erreicht, indem bei gleichbleibender Gasturbineneingangstemperatur das mittlere Temperaturniveau der Wärmezufuhr zur Prozeßkombination weiter erhöht und damit als technische Aufgabe gelöst wird.
Das grundsätzliche Merkmal der Erfindung besteht deshalb darin, daß anstelle der rein physikalischen, endothermen und isobaren Zustandsänderung des Arbeitsmittels eine annähernd bei konstantem Druck unter Volumenzunahme ablaufende endotherme, chemische Reaktion eines Gas- bzw. Gas/Dampf-Gemisches im Gasturbinenprozeß realisiert wird. Das hat zur Folge, daß die gesamte, der Prozeßkombination zugeführte Wärme an das.Arbeitsmitfeel des Gasturbinenprozesses übertragen werden kann und dadurch eine Erhöhung der physikalischen, aber auch der chemischen Enthalpie des Arbeitsmittels erreicht wird. Die durch die Wärmeübertragung unter VoIurnenzunahme ablaufende isobare chemische Reaktion ist mit einer thermischen Kompression vergleichbar, da nach Abgabe von technischer Arbeit durch Expansion die exotherme Rückreak-· tion.bei gegenüber der Hinreaktion abgesenkten Drücken und Temperaturen unter Volumenabnahme abläuft, so daß nach Abgabe der Reaktionswärme der Rückreaktion an einen hachgeschalteten Wasserdampfkraftprozeß nur die vplumenverminderten Reaktionsprodukte der Rückreaktion zur Wiederholung des Kreisprozesses
3 950 - 5 -
auf den Druck der Hinreaktion mechanisch verdichtet werden müssen. Durch Berechnung des thermodynamischeη Systems Kohlenstoff Wasserstoff - Sauerstoff wurde gefunden, daß die zur Synthesegaserzeugung eingesetzten und zur Gestaltung von Fernenergiesy st einen vorgeschlagenen Me than-Was se r.dampf -Gemische das theoretische .Merkmal der Erfindung erfüllen und als technische Arbeitsmittel für den Gasturbinenprozeß einer Kr.aftprozeßkombina~ tion geeignet sind.
Als erfindungsgemäße technische Lösung wird deshalb ein Verfahren vorgeschlagen, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist;
1. Verfahrensschritt
Einem hauptsächlich aus Methan und Wasserdampf bestehenden Gemisch, das unter Drücken von 5 bis 50 at steht und ein Molverhältnis CB, zu H0O von 1 zu 1,5 bis 4>0 entspricht, wird im Temperaturbereich zwischen 300 bis 1000 0C Wärme.indirekt übertragene Pur die Wärmeübertragung wird physikalische Enthalpie eines aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen stammenden Verbrennungsgases oder eines Kühlmediums aus Hochtemperatürkernreaktorkreisläufen genutzte
Die Methan-Wasserdampfspaltung läuft entsprechend der chemischen Gleichung
bezogen auf die eingesetzten Reaktanten, mit einer Molvolumenzunahme von 1 zu 2S bzw», bezogen auf das eingesetzte Methan,. von 1 zu 4? ab· Durch den zur Vermeidung von Kohlenstoffabscheidungen erforderlichen WasserdampfÜberschuß und die von Temperatur und Druck abhängige, praktisch erreichbare Spaltgaszusammensetzung verringert sich bei der technischen Anwendung dieses liiolyolumenverhältnisses. Zur weitestgehenden Annäherung der Reaktionsergebnisse an die theoretischen Möglichkeiten ist es erforderlich, die beschriebene Spaltreaktion im Beisein eines Katalysators durchzuführen. .' : ! "
Die Wärmeübertragung ist im Gegenstrom zu realisieren, so daß das Spaltgas den V/ärrneübertrager, der dem heute bekannteil Steamreformingofen ähnlich sein kann, mit der maximal zulässigen Eingangstemperatur der nachgeschalteten Gasturbine verläßt*
2· Verfahrensschritt - .
Das unter Drücken von 5 bis 50 at stehende heiße Spaltgas - die heute zur Verfugung stehenden Werkstoffe ermöglichen Gastemperaturen um 900 0C - wird in einer Gasturbine ein- oder mehrstufig auf 1 bis 15 at entspannt. Bei mehrstufiger Entspannung wird dem Spaltgas zur weitergehenden Aufspaltung des Methans und Wasserdampf es zwischen den Gasturbinenstufen zusätzlich Wärme indirekt übertragen. Die in der Gasturbine durch Absenkung der physikalischen Enthalpie des Spaltgases erzeugte technische Arbeit wird aus dem Prozeß abgeführt«
3· Verfahrensschritt
Das Spaltgas wird nach der Gasturbine mit Temperaturen zwischen 300 und 600 0C und Drücken zwischen 1 und 15 at in eine katalytisch arbeitende Methanisierung gefahren. Hier wird das hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenoxid enthaltende Spaltgas unter Volumenabnahme exotherm und weitgehend isobar wieder in ein hauptsächlich Methan und Wasserdampf enthaltendes Gemisch chemisch durch die bekannten Methanisierungsreaktionen umgewandelt. Der Aufspaltungsgrad des Methans und des Wasserdampfes im ersten. Verfahrensschritt - gegebenenfalls mit zusätzlicher Spaltung zwischen den Gasturbinenstufen - und die Druckabsenkung im zweiten Verfahrensschritt sind so aufeinander abzustimmen, daß unter Beachtung der Aktivität der zur Verfugung stehenden Katalysatoren die Methanisierungsreaktion zwischen 300 und 600 0G abläuft. Damit sind die Voraussetzungen gegeben, daß die Reaktionsenthalpie der Methanisierungsreaktion zur Wasserdampferzeugung und -überhitzung im nachgeschalteten Wasserdampfkraftprozeß eingesetzt werden kann. . .
4· Verfahrensschritt
Die physikalische Enthalpie des nach der Methanisierung vorliegenden Gas-Wasserdampf-Gemisches wird indirekt an das Speisewasser "des nachgeschalteten Wasserdainpfkraftprozesses oder an-' dere Wärmebedaristräger übertragen. Dabei gibt es innerhalb.des vierten Verfahrensschrittes zwei grundsätzliche Möglichkeiten der Prozeßführungβ Die erste Möglichkeit besteht darin* daß das' nach der Methanisierung vorliegende Methan-Wasserdarnpf-Gemisch bis zur Kondensationstemperatur des Wasserdampfes.gekühlt, das Gas-Wasserdampf-Gemisch danach mechanisch auf den Prozeßdruck des 1.
_ 7 _
Verfahrensschrittes verdichtet und diesem wieder- zugeführt wird, während die zweite Möglichkeit darin besteht} durch weitergehende Kühlung den Wasserdampf zu kondensierene Bei einem offenen Gasturbinensystein kann dann das hauptsächlich Methan enthaltende Gasgemisch ohne oder mit mechanischer Verdichtung einem nachfolgenden Gasversorgungssystem zugeführt werden. . Bei einem geschlossenen Gasturbinensystern kann dagegen nach der Kondensation des Wasserdampfes das hauptsächlich Methan enthaltende Gasgemisch mechanisch auf den Prozeßdruck des ersten Verfahrensschrittes verdichtet werden» so daß durch Zumischung von Entnahmedampf aus dem na-chgeschalteten Wasserdampfkraftprozeß nach der mechanischen Verdichtung wieder das Eingangsgas-Wasserdampf-Gemisch für den ersten Verfahrensschritt zur Verfugung steht. '
AusfUhrungsbeispiel
Die Erfindung wird für den Anwendungsfall eines auf Braunkoh™ lenbasis arbeitenden Wärmekraftwerkes beschrieben· Als Brennstoff steht dem Kraftwerk Pörderrohbraunkohle mit 60 Masse-% Wasser und folgender Analyse zur Verfugung:
C 0,2400 Masseanteil
H 0,0184 ti
O 0,0984 tt
0s0016 tt
S 0,0016 It
Asche 0,0400 ti
Wasser 0,6000
Aus dieser Analyse errechnet sich für die Forderrohbraunkohle eine Verbrennungswärme Vw = 2290 kcal/kg und ein Heizwert Hu = 1831 kcal/kg.
Die Beschreibung· des Prozesses bezieht sich auf einen Verbrauch an Förderrohbraunkohle mK = 2,25 kg mit einem. Hur,es = 4120 kcal« Der experimentell erniittelbare Heizwert der einge-, setzten Kohle soll 4320 kcal batragen« Durch Mahlung und Trocknung« für die eine technische Arbeit q S= 30 kcal und eine rfärmeenergie qTrrp = 850 kcal mit einem
- 8 - . ; -
Temperaturniveau von 75 bis 105 0G erforderlich sind, werden die 2,25 kg Pörderrohbraunkohle zu
1,00 kg Braunkohlenstaub mit 10 Masse-% Wasser (Bk1Q) und einer Gesamtenthalpie h,,' = 5400 kcal/kg Bk^n aufbereitet.
" ZU. |U
Der Braunkohlenstaub wird nach bekannten Vergasungsverfahren mit regenerativ auf 600 G vorgewärmter Luft, z.B. im Schlakkenbad, vergast
Die Kennwerte des Vergasungsverfahrens sollen folgende sein:
Einsatzstoff:
Vergasungsmittel:
Vergasungstemperatur:
Vergasungsdruck:
Temperatur des Kohlestaubes:
Temperatur der Vergasungsluft:
C-Vergasungsgrad:
Luftbedarf:
Generatorgasausbeute:
Generatorga stempe ra tür:
χ)
Generatorgasanalyse: .
Braunkohlenstaub 1500 at 0C
Luft 1,5
1300 bis
1,1 bis
100 0C Bk
600 0C /kg Bk 10
95 % /kg 10
1,642 m3
2,843 nr
1200 0C
co2 4,2 VoI
CO . 29,0 Il
H2O 2,1 ti
H2 18,5 It
CH4 0,5 It
H2 45,7 It
Vw 1488 kca
Das heiße Generatorgas wird in einem Steamreformingofen mit 3,35 et5 Luft/kg Bk10, die ebenfalls regenerativ auf 600 0C vorgewärmt wurdes entsprechend einer Luftzahl Λ= 1,05 vollständig verbrannt« '
Das Verbrennungsgas wird mit 625 C aus dem Steamreformingofen .gefahren und zur regenerativen Vorwärmung der Vergasungs-
. Die Schwefelverbindungen werden vernachlässigt, da sie keinen Einfluß auf den Effekt der Erfindung haben*
Alle Volumenangaben sind auf einen Zustand 760 Torr und 0 0G bezogen.
und Verbrennungsluft eingesetzt. Kohlenaufbereitung und -vergasung und Steamreformingofen sollten unter Beachtung der technischen Verluste mit einem Gesaratwirkungsgrad von 83,56 % arbeiten, so daß im Steamreformingofen zur Realisierung des erfindungsgemäßen ersten Verfahrensschrittes q = 4479 kcal/kg Bk-Q. an das Methan/Wasserdampf-Gemisch im Temperaturbereich von 600 bis 900 0C übertragen werden kann» Im Beispiel wird ein thermodynamisch geschlossener Gasturbinenprozeß verwendet« Dabei sollen der erfindungsgemäße erste und zweite Verfahrensschritt zweistufig arbeiten« Der ersten Spaltstufe im Steamreformingofen wird ein Gas/-Wasserdampf-Gemisch (RG) entsprechend einem Molverhältnis CH, zu H2O von 1 zu 2 mit folgenden Kennwerten zugeführt:
Gasanalyse: CH4 SS 0C 0,307 Rauinanteil
H2 at 0,064 11
co2 = m3/kg 0,016 H
H2O 0,613 Π
Temperatur: 600
Druck: «40,95
Menge: 5,004 Bk1n
Durch die indirekte Wärmeübertragung in der ersten Spaltstufe soll, begrenzt durch das zur Verfugung stehende Rohrmaterial, das thermische Gleichgewicht entsprechend 825 C; 40 at durch die katalytisch^ Methan-Wasserdampf-Spaltreaktion an bekannten liickelkatalysatoren erreicht werden, so daß 6,546 m Spaltgas (SG 1) mit folgenden Kennwerten den Steamreformingofen verlassen:
Analyse des SG 1: 0HA = 0, 117 Rauman'teil
co2 = 0, 054 Il
co = o, 076 H
H2 ' = 0, 442 !1
H2O = O5 311 ti
Tempera tür: 825 0C
Druck: 40 at
JLn der- ersten Stufe des erfindungsgemäßen zweiten Verfahren-s-· Schrittes, der· Gasturbine, leistet das Spaltgas bei einem Tür·
^ 10 -
binenv/irkiingsgrad von v^ . αγ - 0,92 die technische Arbeit
w. = - 620 kcal/kg Bk10 und verläßt die erste Stufe der
XGT 1 'u
Gasturbine mit 12,62 at und 600 0C.
Bach der ersten Stufe der Gasturbine wird das SG 1 zum Steamrefonningofen zurückgefahren und dort durch Wärmeübertragung weiter gespalten, so daß 7,646 nr Spaltgas (SG 2)/kg Bk^n den Stearnreformingofen verlassen und mit folgenden Kennwerten die zweite Stufe der Gasturbine erreichen:
Gasanalyse des SG 2% CH4 = 0,0281 Raumanteil
co2 *" 0,0366 Il
CO = 0,1466 π
H2 = 0,5865 ti
H2O = 0,2022 Il
Temperatur: 900 0C
Druck: 12,5 at
Durch Expansion auf 2,0 at in der zweiten Stufe der Gasturbine kann das SG 2 bei einem 'Turbinenwirkungsgrad fj = O5 die technische Arbeit w. = - 1121 kcal/kg BIc1n
GT ? ιυ
verrichten.
KaCh der zweiten Stufe der Gasturbine wird das SG 2 mit 2 at und 517 0C entsprechend dem dritten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt zur Methanisierung gefahren und bei einem Druck zwischen 1,95 und 2,0 at und im Temperaturbereich zwischen 350 und 620 0C an bekannten Katalysatoren zu der für die erste Stufe des ersten Verfahrensschrittes erforderlichen Zusammensetzung (RG) methanisiert.
Das mit 350 0C und 1,95 at aus der Methanisierung austretende Rückgas wird entsprechend dem erfindungsgemäßen vierten Verfahrens schritt bis zum Beginn der Wasserdampf kondensation bei trr- = 105 C zur Vorwärmung des Speisewassers des nachgeschalteten V/asserdaiapfkraftprozesses auf 345 ^ eingesetzt. Die physikalische Enthalpie des Rückgases zwischen 13 und 105 0C entsprechend qKT = 850 · kcal/kg BIc50 wird zur Trocknung der Pörderrohbraunkohle und zwischen 25 und 75 0C zur Speisewasservorwärmung von 25 auf 70 0C sowie zur Warinwassererzeugung verwendet» . . .
Fach Abschluß der Kühlung des Rückgases ist der Wassexdampfanteil des Rückgases weitestgehend auskondensiert, so daß nur noch 1,977 m RG.. /kg Bk, Q mit folgender Zusammensetzung
CH, = 0^778 Raumanteile
H2 « 0 ,162 η
CO2 = 0 ,040
H2O « 0 s020 η
von 1,95 auf 40s95 at verdichtet werden müssen,» Bei einstufiger Verdichtung und einem "Wirkungsgrad des Verdichters . = Op85 .wird dafür die technische Arbeit ls*Verd.
= 288 kcal/kg Bk1n verbraucht.
- χυ '-. ·
Der geschlossene Gasturbinenprozeß kann also die technische Arbeit
W+ Ss-W+ ' - W+ + W+
XGT XGT 1 XGT 2 x = ~ 1453 kcal/kg
abgeben*
Nach der Verdichtung wird dem RG-. der auskondensierte Anteil des Prozeßdampfes iil„' = 2,431 kg/kg Bk1r. wieder zügemischte Diese Dampfmenge wird dem nachgeschalteten Dampfkraftprozeß bei einem Druck ρ = 41 at und einer Enthalpie hg= 680,6 kcal/kg K2O2 entnommen« .
Das nun mit der Start zusamraens et zung wieder vorliegende Rückgas wird durch Methanisierungswärme auf 600 0C vorgewärmt und dem Steamreformingofen erneut zugeführt Damit ist 'der Gasturbinenprozeß geschlossen. Die Wärmebilanz des Gasturbinenprozesses ergibt 9 daß außer -Aw+ noch der restliche Teil der Reaktionsenthalpie der Methanfsierung im Temperaturbereich von 350 bis 600 C
OL1 = 2524 kcal/kg Bk10
owie die physikalische Enthalpie des Rückgases nach der Meng im Temperaturbereich λ
q.2 -· 500 kcal/kg Bk, ~
thanisierung im Temperaturbereich von 350 bis 105 0C
.4CUOVdU-.- 12 - ϊ
und im Temperaturbereich von 105 bis 25 0C
= 1566 kcal/kg
abzuführen sind
Von qV werden q^m = 850 kcal/kg Bk10 im. Temperaturbereich von 0
75 bis 105 0C in einer rauchgasdurehfluteten Kohletrocknung indirekt abgeführt, während im Temperaturbereich von 25 bis 75 0C q.gw -,= 160 kcal/kg Bk-,Q zur Vorwärmung von Speisewasser für den Dampfkraftprozeß und q.SK = 556 kcal/kg Bk10 zur Warmwasererzeugung eingesetzt oder durch eine Schlußkühlung an die Umwelt abgeführt werden«
Die Speisewasservorwärmung von 70 auf -100 0G erfolgt regenerativ durch Entnahmedampf e Danach wird ein. Speisewas-serteilstrom mSW 2 ~ l»?18 kS durch q.2 von 100 auf 345 0C vorgewärmt, während die restliche Speise wassermenge von 100 über 180 auf 260 0C ebenfalls durch Entnahmedampf regenerativ vorgewärmt wird.
Der Dampferzeugung und zweifachen Zwischenüberhitzung im Dampfkraftprozeß, die auf der Grundlage von q-, realisiert werden, werden die Speisewassermengen
mSW 2 3 1^718 kS- mit 345 0C und
SW 2 mSW 3 = 2»767 kS mit 260 0C
zugeführt.
Aus dem Speisewasser wird eine Frischdampfmenge nu = 4,485 kg mit 250 at; 520 0C; h1=.774,7 kcal/kg erzeugt. Diese Dampfmenge wird auf 41 at; h2- 680,6 kcal/kg in der ersten Expansionsstufe entspannt lind leistet bei einem Wirkungsgrad^. Drn = 0,90 eine technische Arbeit von w. = -422 kcal/kg Bk-,A.
Bei 41 at werden mpr^ = 2,431 kg und ^1= 0,4353 kg als Prozeßdampf bzw«, zur regenerativen Speisewasservorwärmung' entnommen, so daß die Dampfnienge m^ ^ ~ 1?619 kg bei 41 at auf 540 0C; h^ = 844,8 kcal/kg überhitzt werden kann (erste Zwischenüberhitzung)» Danach wird nu , in der zweiten Expansionsstufe auf 10 at; h, - 749?9 kcal/kg entspannt und leistet dabei ( ^, ™ = 0}90) die technische Arbeit w. =-154 kcal/kg Bk-,-.,
liach Entnahme von nu, . = 0,242 kg zur regenerativen Wasservorwärmung wird ku c = 1,377 kg bei 10 at auf 580 C; h^ = 872,6 kcal/kg überhitzt. Danach leistet m^ ^ bei einem
Ώφ =s 0,90 durch Entspannung auf 1 at; hg"= 720,5""Kc die technische Arbeit w^ v =-209 kcal/kg Bk10*. Nach Entnahme von rn^ r = 0,223 kg zur regenerativen Speisewasservorwärmung wird die Expansion der Dampfmenge m~ η = 1,154 kg auf einen Kondensat or druck p„. = 0,04 at; h~ = 604*7 kcal/kg fortgesetzt, m^ n leistet dabei die technische Arbeit w, =
, D ! D 4
-134 kcal/kg-Bk10. ^
Damit gibt der dem Gasturbinenprozeß nachgeschaltete Dampfkraftprozeß insgesamt die technische Arbeit
w. β - 919 --kcal/kg Bk1 n D
Die Kondensat ions wärme, des Maschinenabdampfes des Damp f kr aft Prozesses
* -1,154 (604,7 -25) =-669 kcal/kg Bk10
wird in für Kondensat ions kr aft we rice üblicher Weise durch Kühlwasser an die Umwelt abgeführt.
Bezogen auf die mit der Braunkohle insgesamt augeführte Enthalpie Ii = 5400 kcal/kg Bk-,^ ergeben sich in der Wärmebilanz der Prozeßkopplung folgende Werte für die abzuführenden Energiemengen:
kcal $> ' '
1. Kohletrocknung -850 '15,7
2«, chemische und physikalische Enthalpie
der Abprodukte (Verbrennungsgas und
Schlacke) ™800 14,8
3« Oberflächenverluste (Kohlevergasung s Steamreformingo-fen, Methanisierung)
4 β Kondens at ion
5e Schlußkühlung bsw«, Y/armwasserer zeugung bis 70 0G
6e technische Arbeit (wt )
-155 2,9
-669 IK 12,4
-556 10*2
-2297 42.5
kcal %
7. Hilfsenergie für Pumpen,
Gebläse und Kohlemahlung - 73 1>4
insgesamt abgeführt: - 5400 kcal/kg Bk10 100,0 % Bezogen auf den aus der Kohleanalyse berechenbaren Heizwert erreicht das beschriebene Beispiel einen Wirkungsgrad von χ '"*«* 2297
x ΛΞ - 0.558
und unter Beachtung der Schlackenreaktionen, die bei experimenteller Heizwertbestimmung mit erfaßt werden»
wt b 2297
a0 _ = 0-
) 4320
Charakteristisch für dieses Beispiel ist, daß von der insgesamt erzeugten technischen Arbeit v/^ = - 2660 kcal/kg Bk10 einschließlich der RG-Verdichtung nur w+ = 363 kcal/
Eigenverbr· kg,Bk.,Q im Prozeß als Eigenverbrauch benötigt werden, das sind,' bezogen auf die technische Arbeit, 13,6 %, während V1Z+ = -. 2297 kcal/kg Bk10, das sind 86,4 % der erzeugten a technischen Arbeit, abgeführt werden können· Daraus ist zu schlußfolgern, daß der spezifische Materialaufwand für die Verdichter und die Gasturbinen um mehr als 50 % gesenkt werden kann. Auf eine Darstellung der erfindungsgemäßen Prozeßkombination in einem Blockschaltbild wird verzichtet, da jeder Fachmann auf Grund der ausführlichen Beschreibung der Erfindung, insbesondere auf Grund des Beispieles, den Prozeß aufzeichnen und nachrechnen kann* ' .
Die ausgewiesenen Wirkungsgrade *i„a„ i^nd V) ^· sind mit den
. tgö-s i> ge s
in-den Statistiken veröffentlichten Wirkungsgraden für Wärmekraftwerke vergleichbar. Damit ist zu schlußfolgern, daß die Erfindung eine Verbesserung der Wirkungsgrade bei Grundlastbetrieb von 30 bis 35 auf annähernd 50 %·ermöglicht, d. h*, bei konstantern Brennstoffbedarf kann die Elektroenergieerzeugung auf 140 bis 165 % gesteigert werden, oder aber bei konstanter Slektroenergieabgabe kann der Brennstoffbedarf auf bis 70 %. der derzeitigen Werte gesenkt werden.
Zum Abschluß des Beispieles soll noch einmal darauf hingewie sen werden, dal3 die zur Realisierung des ersten erfindungsgemäßen Verfahrensschrittes erforderliche Wärmeübertragung Cq^ auch auf andere. Art und durch andere Brennstoffe sowie durch Hoclitemperaturkernreaktoren gesichert werden kann·

Claims (2)

Erfindungsanspruch
1. Kraftproseßkombination zur Erzeugung von technischer Arbeit - bestehend aus einem Gasturbinen- und einem Wasserdampf kraftprozeß - dadurch gekennzeichnet, daß durch Verbrennen fossiler Brennstoffe oder durch Hochtemperaturkernreaktionen freigesetzte Wärmeenergie indirekt in einem Röhrenofen an ein unter dem Druck p- stehendes Gas- bzw» Gas-Dampf-Gemisch übertragen wird, das bei Wärmezufuhr im Temperaturbereich zwischen 300 und 1000 0G und bei annähernd konstantem Druck unter Volumenzunahme chemisch endotherm reagiert, die erzeugten Reaktionsprodukte als Arbeitsmittel in einer Gasturbine unter Abgabe von technischer Arbeit expandieren und danach bei gegenüber p^ abgesenkten Drücken und Temperaturen unter Volumenabnahme ebenfalls bei annähernd konstanten Drücken exotherm wieder zum ursprünglichen Gas- bzw. Gas-Dampf-Gemisch chemisch reagieren, so daß nach Abgabe' eines Teiles der Reaktionsenthalpie und der physikalischen Enthalpie des Gas- bzw*. Gas-Dampf-Gemisches an einen bekannten l.7asserdampfkraftprozeß das Gas- bzw..Gas-Dampf-Gemisch oder nach Kondensation des Dampfanteiies der Gasanteil des Gemisches auf den Ausgangsdruck p- mechanisch verdichtet und nach Ersatz des eventuell auskondensierten Dampfanteiies dem Röhrenofen' zur Wiederholung des Kreisprozesses zugeführt werden kann«
2* Kraftprozeßkombination zur Erzeugung von technischer Arbeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, . . daß durch,Verbrennen fossiler Brennstoffe oder durch Hochtemperaturkernreaktionen freigesetzte·· Wärmeenergie in einem
Röhrenofen indirekt an ein unter Drücken von 5 bis 50 at stehendes, hauptsächlich Methan und Wasserdampf enthaltendes Gemisch, dessen Zusammensetzung einem Molverhältnis CEL zu HpO von 1 zu 1S5 bis 4»0 entspricht, zwischen 300 und 1000 0C im Beisein eines bekannten Spaltkatalysators übertragen wird, das dadurch erzeugte Spaltgas als Arbeitsmittel in einer Gasturbine unter Abgabe von technischer Arbeit expandiert und danach unter Drücken von 1 bis 15 at im Temperaturpereich von 300 bis 600 0C und unter Abgabe von Wärmeenergie an einen bekannten Wasserdampfkraftprozeß exotherm wieder zum Methan-Wasserdampf-Gemiseh im Beisein eines .bekannten Methanisierungskatalysators chemisch umgewandelt wirds so daß nach Kühlung bis zum Kondensationsbeginn des Wasserdampfes das Methan-Wasserdampf-Gemisch oder bei weitergehender Kühlung der Gasanteil des Gemisches mechanisch verdichtet und - gegebenenfalls nach Ersatz des auskondensierten V/asserdampfanteiles - dein Röhrenofen zur Wiederholung des Kreisprozesses zugeführt werden kann«
Kraftprozeßkornbination zur Erzeugung von technischer Arbeit nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansion des Arbeitsmittels in der Gasturbine mehrstufig erfolgt und daß dem Arbeitsmittel zwischen den Gasturbinenstufen zusätzlich indirekt Y/ärrne - gegebenenfalls im Beisein eines Katalysators - übertragen wird»
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