DD139620B1 - Kraftprozesskombination zur erzeugung von technischer arbeit - Google Patents

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Description

-Titel der Erfindung Kraftprozeßlcombination zur Erzeugung von technischer Arbeit
Anwendung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Kombination von zwei Kraftprozessen mit verschiedenen Arbeitsmitteln, der indirekt ¥/ärme, 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 erfindungagemäße 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 erfindungagemäße Kraftprozeßkombination kann auch zur Erfüllung anderer Antriebs aufgaben, 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 (Exergie) abgegeben werden, während z. Z. der größere Teil als Anergie an die Umwelt abgeführt werden muß. D. h., die Enthalpie der für den Betrieb der Kraftprozesse eingesetzten Brennszoffe wird nur zu 25 bis 45 % in technische Arbeit 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 Brennstoffausnutzung, 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 Verfügung gestellt und vom Kraftprozeß bei möglichst hohem mittleren Temperaturniveau aufgenommen wird. D. h·» die durch die Y/ärmeübertragung verursachte endotherme Zustandsänderung des Arbeitsmittels im Kraftprozeß muß bei möglichst hohen mittleren Temperaturen ablaufen.
Dieser grundsätzlichen thermodynamischeη 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 Verfügung stehenden Werkstoffe für ungekühlte Schaufeln nach Traupei (Thermische Turbomaschinen, Springer-Verlag, Berlin-Göttingen-Heidelberg (1958), 1. und 2. Band) Turbineneingangstemperaturen um 900 0C 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 Quecksilberdampfurozeß übertragen wird, während die Kondensationswärme des Quecksilberdarapfes nach Expansion zur Dampferzeugung an einen V/asserdampfkraftprozeß übertragen wird (Wukalowitsch, M. P., Technische Thermodynamik, VEB Fachbuchverlag Leipzig (1962)).
In letzter Zeit wurden Kraftprozeßkombinationen vorgeschlagen, bei denen einem 'wasserdampfkraftprozeß Gasturbinenprozesse vorgeschaltet sind. In diesen Fällen erfolgt die Wärmeübertragung vom Arbeitsmittel des Gasturbinenprozesses an den Y/asserdampfkraftprozeß wie folgt:
a) Durch Verbrennen fossiler Brennstoffe unter Druck -wird das Arbeitsmittel für einen offenen Gasturbinenprozeß erzeugt. Nach Expansion wird ein Teil der noch arbeitsfähigen physikalischen Enthalpie des Verbrennungsgases an den Wasserdampfprozeß übertragen. Die maximale Gasturbineneingangstemperatur wird gesichert durch eine Verbrennung der Brennstoffe mit großem Luftüberschuß (Luftzahl A= 3 bis 6, so daß bis zu 60 % der erzeugten technischen Arbeit wieder für die Luftverdichtung verbraucht werden) und/oder durch Kühlung der Verbrennungsgase vor der Gasturbine.
b) Zur Vermeidung des hohen Eigenverbrauches an technischer Arbeit für die Luftverdichtung werden die fossilen Brennstoffe unter Druck mit Luft autotherm vergast, das entstehende Generatorgas wird als Arbeitsmittel in einem offenen Gasturbinenprozeß und danach als Brenngas in einer üiederdruckfeuerung eines Dampfkraftprozesses eingesetzt (Informationen für die Gaswirtschaft, Brennstoffinstitut Preiberg, 7/1977/1, S. 1 - 12).
Obwohl durch die bekannten Kraftprozeßkombinationen gegenüber dem Wasserdampfkraftprozeß 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 liiveau der mittleren Temperatur der Wärmezufuhr besonders durch die Siedetemperaturen des Quecksilbers bestimmt, die im technischen Betrieb zwischen 500 und 550 0C realisiert werden können, wenn die erforderlichen Quecksilbermengen ökonomisch zur Verfugung stehen.
Bei den bekannten Prozeßkombinationen mit vorgeschaltetem Gasturbine npro ze ß wird die mittlere Temperatur der Wärmezufuhr durch die rein physikalische, endotherme Zustandsänderung des Arbeitsmittels im Gasturbinenprozeß, die annähernd isobar verläuft, entscheidend beeinflußt.
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 Gastür-
binenprozeß in technische Arbeit umgewandelt werden kann, während die chemische Enthalpie des Vergasungsgases nach dem Verbrennungsvorgang im iJormaldruckbereich, wie beim einfachen Y/asserdampfprozeß, unter bedeutendem Exergieverlust an den Wasserdampf kraftpro ze ß 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 maschinentechnischen Aufwand zu senken.
Darstellung des Yfesens der Erfindung
Die Erfindung setzt den mit der Entwicklung der Kraftprozeßkombinationen, bestehend aus Gasturbinen- und DampfkraftprozeS, eingeschlagenen verfahrenstechnischen- Weg fort. Das Ziel der Erfindung wird dabei erreicht, indem bei gleichbleibender Gasturbine neingangs temperatur 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 VoIurnenzunähme ablaufende endotherme, chemische Reaktion eines Gas- bzw. Gas/Dampf-Gemisches im Gssturbinenprozeß realisiert wird. Das hat zur Folge, daß die gesamte, der Prozeßkombination zugeführte Wärme an das Arbeitsmittel 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 Volumenzunahme ablaufende isobare chemische Reaktion ist mit einer thermischen Kompression vergleichbar, da nach Abgabe von technischer Arbeit durch Expansion die exotherme Rückreaktion bei gegenüber der Hinreaktion abgesenkten Drücken und Temperaturen unter Volumenabnahme abläuft, so daß nach Abgabe der Reaktionswärme der Rückreaktion an einen nachgeschalteten V/asserdampfkraftproseß nur die volumenverminderten Reaktionsprodukte der Rückreaktion zur Wiederholung des Kreisprozesses auf den Druck der Hinreaktion mechanisch verdichtet werden müssen.
burch Berechnung des thermodynamischeη Systems Kohlenstoff Wasserstoff - Sauerstoff wurde gefunden, daß die zur Synthesegaserzeugung eingesetzten und zur Gestaltung von Fernenergiesystemen vorgeschlagenen IvIe than-Wasserdarapf-Gemische das theoretische Merkmal der Erfindung erfüllen und als technische Arbeitsmittel für den Gasturbinenprozeß einer Kraftprozeßkombination geeignet sind.
Als erfindungsgemäße technische Lösung wird deshalb ein Verfahren vorgeschlagen, daß durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
1· Verfahrensschritt
Einem hauptsächlich aus bMethan und Wasserdampf bestehenden Gemisch, das unter Drücken von 5 bis 50 bar steht und ein Molverhältnis CH, zu H2O von 1 zu 1,5 bis 4,0 entspricht, wird im Temperaturbereich zwischen 300 bis 1000 0C Wärme indirekt übertragen· Für die Wärmeübertragung wird physikalische Enthalpie eines aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen stammenden Verbrennungsgas es oder eines Kühlmediums aus Hochtemperaturkernreaktorkreisläufen genutzt.
Die Methan-7/as3erdampfspaltung läuft entsprechend der chemischen Gleichung
CH4 + H2O C0 + 3 H2,
bezogen auf die eingesetzten Reaktanten, mit einer Molvolumenzunahme von 1 zu 2, 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 Molvolumenverhältnis* Zur weitestgehenden Annäherung der Reaktionaergebnisae 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 Wärmeübertrager, der dem heute bekannten Röhrenofen ähnlich sein kann, mit der maximal zulässigen Eingangstemperatur der nachgeschalteten Gasturbine verläßt.
2. Verfahrensschritt
Das unter Drücken von 5 bis 50 bar stehende heiße Spaltgas -
die heute zur Verfügung stehenden Werkstoffe ermöglichen Gastemperaturen um 300 0C - wird in einer Gasturbine ein- oder mehrstufig auf 1 bis 15 bar entspannt. Bei mehrstufiger Entspannung wird dem Spaltgas zur weitergehenden Aufspaltung des Methans und Wasserdampfes zwische-n 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 0G und Drücken zwischen 1 und 15 bar in eine katalytisch arbeitende Methanisierung gefahren. Hier wird das hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenoxid enthaltende Spaltgas unter Volumenabnähme exotherm und weitgehend isobar wieder in ein hauptsächlich Methan und Wasserdampf enthaltendes Gemisch chemisch durch die bekannten Methanisierungsreaktionen umgev/andelt. Der Aufspaltungsgrad des Methans und des Wasserdampfes im ersten Verfahrensschritt - gegebenenfalls mit zusätzlicher Spaltung zwischen den Gasturbinenstufen - und die Druckabsenkung im 2. Verfahrensschritt sind so aufeinander abzustimmen, daß unter Beachtung der Aktivität der zur Verfügung stehenden Katalysatoren die Methanisierungsreaktion zwischen 300 und 600 0C abläuft. Damit sind die Voraussetzungen gegeben, daß die Reaktionsenthalpie der Methanisierungsreaktion zur Wasserdampferzeugung und -überhitzung im nachgeschalteten Wasserdampfkraftprozeß eingesetzt werden kann.
4. Verfahreneschritt
Die physikalische Enthalpie des nach der Methanisierung vorliegenden Gas-Wasserdampf-Gemisches wird indirekt an das opeisewasser des nachgeschalteten Wasserdampfkraftprozesses oder ändere Wärmebedarfsträger übertragen. Dabei gibt es innerhalb des 4. Verfahreneschrittea zwei grundsätzliche Möglichkeiten der Prozeßführung.
Die erste Möglichkeit besteht darin, daß das nach der Methanisierung vorliegende Methan-Wasserdampf-Gemisch bis zur Kondensationstenperatur des Wasserdampfes gekühlt, das Gas-Wasserdampf-Gemisch danach mechanisch auf den Prozeßdruck des ersten
Verfahrensschrittes verdichtet und diesem wieder zugeführt wird, während die zweite Möglichkeit darin besteht, durch weitergehende Kühlung den wasserdampf zu kondensieren. Bei einem offenen Gasturbinensystem kann dann das Hauptsächlich Methan enthaltende Gasgemisch ohne oder mit mechanischer Verdichtung einem nachfolgenden Gasversorgungssystem zugeführt werden.
Bei einem geschlossenen Gasturbinensystem 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 nachgeschütteten Wasserdampfkraftprozeß nach der mechanischen Verdichtung wieder das Eingangs gas -Wasserdampf -Gemisch für den ersten Verfahrensschritt zur Verfügung steht.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird für den Anwendungsfall eines auf Braunkohlenbasis arbeitenden Wärmekraftwerkes beschrieben. Als Brennstoff steht dem Kraftwerk Förderrohbraunkohle mit 60 Masse-% Wasser und folgender Analyse zur Verfügung:
C 0,2400 Hasseanteil
H 0,0184 "
0 0,0984 "
N 0,0016 "
S 0,0016 "
Asche 0,0400 "
Wasser 0,6000 "
Aus dieser Analyse errechnet sich für die Förderrohbraunkohle eine Verbrennungswärme Vw = 2290 kcal/kg und ein Heizwert Hu = 1831 kcal/kg.
Die Beschreibung des Prozesses bezieht sich auf einen Verbrauch an Förderrohbraunkohle eu = 2,25 kg mit-einem Hu_oa = 4120 kcal.
Der experimentell ermittelbare Heizwert der eingesetzten Kohle soll 4320 kcal betragen.
Durch Mahlung und Trocknung, für die eine technische Arbeit q = 30 kcal und eine Wärmeenergie qKm = 850 kcal mit einem
Temperaturniveau von 75 bis 105 0C erforderlich sind, werden die 2,25 kg Fb'rderrohbraunkohle zu
1,00 kg Braunkohlenstaub mit 10 Masse-% Wasser (Bk10)
und einer Gesamtenthalpie h „ = 54-00 kcal/kg Bk1n aufbereitet. Der Braunkohlenstaub wird nach bekannten Vergasungsνerfahreη mit regenerativ auf 600 0C vorgewärmter Luft, z. B. im Schlackenbad, vergast
Die Kennwerte des Vergasungsverfahrens sollen folgende sein:
Einsatzstoff: Braunkohlenstaub
Vergasungsmittel: Luft
Vergasungstemperatur: 1300 bis 1500 0C
Vergasungsdruck: 1,1 bis 1,5 bar
Temperatur des Kohlestaubes: 100 0C
Temperatur der Vergasungsluft: 600 0C
C-Vergasungsgrad: 95 %
Luftbedarf: 1,642 m3/kg
Generatorgasausbeute: 2,843 иг/kg
Generatorgas temperatur: 1200 0C
χ}
Generatorgasanalvse: '
co2 4,2 Vol.-%
co 29,0 Il
н2о 2,1 ti
H2 18,5 ti
CH4 0,5 U
N2 45,7 fi
Vw 1488 kcal/nr
Das heiße Generatorgas wird in einem Röhrenofen mit 3,35 m^ Luft/ kg Bk10, die ebenfalls regenerativ auf 600 0C vorgewärmt wurde, entsprechend einer Luftzahl λ = 1,05 vollständig verbrannt. Das Verbrennungsgas wird mit 625 0C aus dem Röhrenofen gefahren und zur regenerativen Vorwärmung der Vergasungs- und Verbrennungs
' Die Schwefelverbindungen werden vernachlässigt, da sie keinen Einfluß auf den Effekt der Erfindung haben.
Alle Volumenangaben sind auf einen Zustand 760 Torr und о 0 bezogen.
luft eingesetzt. Kohlenaufbereitung und -vergasung und Röhrenofen sollten unter Beachtung der technischen "Verluste mit einem Gesamtwirkungsgrad von 83,56 % arbeiten, so daß im Röhrenofen zur Realisierung des erfindungsgemäßeη ersten Verfahrensachrittes qH = 4479 kcal/kg Bk-J0 an das Methan/Wasserdainpf-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 Röhrenofen wird ein Gas-ZWasserdampf-Gemisch (RG) entsprechend einem Molverhältnis CH, zu HgO von 1 zu 2 mit folgenden Kennwerten zugeführt:
- 0,307 Raumanteil
* 0,064 "
= 0,016 "
= 0,613 " C
Gasanalyse: CH4
H2
CO2
HpO
Temperatur: 600 °
Druck: 40,95
Menge: 5,004
5,004 m3/kg Bk10
Durch die indirekte Wärmeübertragung in der ersten Spaltstufe soll, begrenzt durch das zur Verfügung stehende Rohrmaterial, das thermische Gleichgewicht entsprechend 325 0C; 40 bar durch die katalytische Methan-Wesserdampf-Spaltreaktion an bekannten Kickelkatalysatoren erreicht werden, so daß 6,546 mr Spaltgas (SG 1) mit folgenden Kennwerten den Röhrenofen verlassen:
Analyse des SG 1:
CH4 = 0,117 Raumanteil
COg 0,054 и
CO 0,076 it
H2 = 0,442 tt
HgO 0,311 Il
825 0C
Temperatur:
Druck: 40 bar
In der ersten Stufe des erfindungsgemäßen zweiten Verfahrensschrittes, der Gasturbine, leistet das Spaltgas bei einem Turbine nv?irkungsgrad von *ft „m = 0,92 die technische Arbeit
w+ = - 620 kcal/kg Bk1n und verläßt die erste Stufe der 1GT 1 IU
Gasturbine mit 12,62 bar und 600 0C.
Kach der ersten Stufe der Gasturbine wird das SG 1 zum Röhrenofen zurückgefahren und dort durch Wärmeübertragung weiter geßpalten, so daß 7,646 ia? Spaltgas (SG 2)/kg Bk10 den Röhrenofen verlassen und mit folgenden Kennwerten die zweite Stufe der Gasturbine erreichen:
Gasanalyse des SG 2:
CH4 0,0281 Raumanteil
co2 0,0366 и
CO 0,1466 M
H2 0,5865 U
H2O 0,2022 ti
900 °c
12,5 bar
Temperatur: Druck:
Durch Expansion auf 2,0 bar in der zweiten Stufe der Gasturbine kann das SG 2 bei einem Turbinenwirkungsgrad Λ1 ^3 = 0,92 die technische Arbeit w, = - 1121 kcal/kg Bk1n verrichten, liach der zweiten Stufe del' Gasturbine wird das SG 2 mit 2 bar und 517 0C entsprechend dem dritten erfindungsgemäßen Verfah-'rensschritt zur Methanisierung gefahren und bei einem Druck zwischen 1,95 und 2,0 bar und im Temperaturbereich zwischen 35О und 62Ο 0C an bekannten Katalysatoren zu der für die erste Stufe des ersten Verfahrensschrittes erforderlichen Zusammensetzung (RG) methanisiert.
Das mit 350 0C und 1,95 bar aus der Methanisierung austretende Rückgas wird entsprechend dem erfindungsgemäßen vierten Verfahrensschritt bis zum Beginn der V/asserdampf kondensation bei t„ = 105 0C zur Vorwärmung des Speisewassers des nachgeschalteten Wasserdampfkraftprozesses auf 34-5 0C eingesetzt. Die physikalische Enthalpie des Rückgases zwischen 75 und 105 0C entsprechend q^-m = 850 kcal/kg Bk^n wird zur Trocknung der
Förderrohbraunkohle und zwischen 25 und 75 0C zur Speisewasservorwärmung von 25 auf 70 0C sowie zur Warmwassererzeugung verwendet.
Nach Abschluß der Kühlung des Rückgases ist der Wasserdampfanteil des Rückgases weitestgehend auskondenaiert, so daß nur noch 1,977 яг RG. /kg Bk-Q mit folgender Zusammensetzung
CH4 = 0,778 Raumanteile
H2 = 0,162 H
co2 = 0,040 Il
н2о = 0,020 Il
von 1,95 auf 40,95 bar verdichtet werden müssen. Bei einstufiger Verdichtung und einem Wirkungsgrad des Verdichters =0,85 wird dafür die technische Arbeit
ls#Verd
w. = 2S8 kcal/kg Bk1n verbraucht.
xKompr. Ίυ
Der geschlossene Gasturbinenprozeß kann also die technische Arbeit
w = - w - W +w+
2 Kompr. = - 1453 kcal/kg Bk10
abgeben.
Each der Verdichtung .wird dem RG+„ der auskondensierte Anteil
иг ·
des Prozeßdanpfes nip ~ = 2,431 kg/kg Bk10 wieder zugemischt.
Diese Dampfmenge wird dem nachgeschalteten Dampfkraftprozeß bei einem Druck ρ = 41 bar und einer Enthalpie h2 = 680,6 kcal/ kg H2Oj, entnommen.
Das nun mit der Startzusammensetzung wieder vorliegende Rückgas wird durch Methanisierungswärme auf 600 0C vorgewärmt und dem Röhrenofen erneut zugeführt.
Damit ist der Gasturbinenprozeß geschlossen.
Die /Wärmebilanz des Gasturbinenprozesses ergibt, daß außer W+ noch der restliche Teil der Reaktionsenthalpie der Methaniiierung im Temperaturbereich von 350 bis 600 C
q1 = 2524 kcal/kg Bk10
sowie die physikalische Enthalpie des Rückgases nach der Methanisierung im Temperaturbereich von 350 bis 105 0C
q2 = 500 kcal/kg aturbereich von Cb = 1566 kcal/kg 10
abzuführen sind.
Von qr> werden qKT = 850 kcal/kg Bk10 im Temperaturbereich von 75 bis 105 с in einer rauchgasdurchfluteten Kohletrocknung
und im Temperaturbereich von 105 bis· 25 0C
indirekt abgeführt, während im Temperaturbereich von 25 bis 75 0C qc,v, * = 160 kcal/kg ВЦ0 zur Vorwärmung von Speisewasser für den Dampfkraftprozeß und q,.^ = 556 kcal/kg Bk-Q zur Warmwassererzeugung eingesetzt oder durch eine Schlußkühlung an die Umwelt abgeführt werden.
Die Speisewasservorwärmung von 70 auf 100 0C erfolgt regenerativ durch Entnahmedampf. Danach, wird ein Speisewasserteilstrom raSV/ 2 = 1»^1Q ^g durch q~ von 100 auf 345 0C vorgewärmt, während die restliche Speisewassermenge von 100 über 130 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
und
msw 2 - ι ,718 kg mit 345 0C
msw 3 _ ρ ,767 kg mit 260 0C
zugeführt.
Aus dem Speisewasser wird eine Frischdampfmenge m^, = 4,4-85 kg mit 250 bar; 520 0C; h-, = 774,7 kcal/kg erzeugt. Diese Dampfmenge wird auf 41 bar; hg = 680,6 kcal/kg in der ersten Expansionsstufe entspannt und leistet bei einem Y/irkungsgrad tj-ic. -ПФ = °»90 eine technische Arbeit von w. = - 422 kcal/
kg Bk10. D 1
Bei 41 bar werden Шрг D = 2,431 kg und mD 1 = 0,4353 kg als Prozeßdampf bzw. zur regenerativen Speisewasservorwärmung entnommen, so daß die Dampfmenge m^ 2 = 1,619 kg bei 41 bar auf 540 0C; tu = 844,8 kcal/kg überhitzt werden kann (erste Zwischenüberhitzung) . Danach wird m^ ^ in der zweiten Expansionsstufe auf 10 bar; h, = 749,9 kcal/kg entspannt und leistet dabei (*>74o тир = 0,90) die technische Arbeit w, = - 154 kcal/
I XS »JJx "T\ Q
kg Bk10. D г
Nach Entnahme von m^ . = 0,242 kg zur regenerativen \vasservorwärmung wird mD ^ = 1,377 kg bei 10 bar auf 580 0C; h^ = 872,6 kcal/kg überhitzt. Danach leistet iru ,- bei einem 0Oa3 Dm 0,90 durch Entspannung auf 1 bar; h^ = 720,5 kcal/kg die technische Arbeit w, = - 209 kcal/kg Bk1n.
tD 3 IU
Nach Entnahme von el, r - 0,223 kg zur regenerativen Speisewasservorwärmung wird die Expansion der Dcmpfmenge m„ ^= 1,154 kg auf einen Kondensatordruck pjr = 0,04 bar; h^ = 604,7 kcal/kg fortgesetzt, m^ ^ leistet dabei die technische Arbeit
w = - 134 kcal/kg Bk1n.
T) 4 Ί
Damit gibt der dem Gasturbinenprozeü nachgeschaltete Dampfkraftprozeß insgesamt die technische Arbeit
W+ = - 919 kcal/kg Bk1n tD JU
Die Kondensationswärme des Maschinenabdampfes des Dampfkraftprozesses
= 1,154 (604,Y - 25) = - 669 kcal/kg 10
wird in für Kondensationskraftwerke üblicher Weise durch Kühlwasser an die Umwelt abgeführt
Bezogen auf die mit der Braunkohle insgesamt zugeführte Enthalpie h = 5400 kcal/kg Bk10 ergeben sich in der ¥ärmebilanz 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, Röhrenofen, Methanisierung)
4. Kondensation
5. Schlußkühlung bzw. Warmwassererzeugung bis 70 0C
6. technische Arbeit (w. )
7· Hilfsenergie für Pumpen, Gebläse
und Kohlemahlung - 73 1,4
insgesamt abgeführt: -5400 100,0
Bezogen auf den aus. der Kohleanalyse berechenbaren Heizwert erreicht das beschriebene Beispiel einen Wirkungsgrad von
- 155 2,9
- 669 12,4
- 556 10,2
-2297 42,5
to χ
gea = —~ = = °'558
Hu(theor.)
und unter Beachtung der Schlackenreaktionen, die bei experimenteller Heizwertbestimmung mit erfaßt werden,
Wt b 2297
V Fes = —^ = = °'53°
'β Hu(exp.) 4320
Charakteristisch für dieses Beispiel ist, daß von der insgesamt erzeugten technischen Arbeit w. = - 2660 kcal/kg Bk-Q einschließlich der RG-Verdichtung nur w, = 363 kcal/ kg Bk10 im Prozeß als Eigenverbrauch ElSenverDr· benötigt werden, das sind, bezogen auf die technische Arbeit, 13sб %, Während w. = - 2297 kcal/kg Bk1n, das sind 86,4 % der
ab erzeugten techniscnen 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 ^ σ&9 und ^ sind mit den in den Statistiken veröffentlichten Wirkungsgraden für Wärmekraftwerke vergleichbar. Damit ist zu schulfolgern, daß die Erfindung eine Verbesserung der Wirkungsgrade bei Grundlastbetrieb von 30 bis 35 auf annähernd 50 % ermöglicht, d. h., bei konstantem Brennstoffbedarf kann die Elektroenergieerzeugung auf 140 bis 165 % gesteigert werden, oder aber bei konstanter Elektroenergieabgabe kann der Brennstoffbedarf auf 60 bis 70 % der derzeitigen Werte gesenkt werden.
Zum Abschluß des Beispieles soll noch einmal darauf hingewiesen werden, daß die zur Realisierung des ersten erfindungsgemäßen Verfahrensschrittes erforderliche Wärmeübertragung (qtr) auch auf andere Art und durch andere Brennstoffe sowie durch Hochtemperaturkernreaktoren gesichert werden kann.

Claims (2)

  1. Erfindungsanspruch
    1. Wärmekraftprozeßkombination, bestehend aus einem geschlossenen Gasturbinenprozeß und einem Wasserdampf-Kraftprozeß, bei der durch Verbrennung fossiler Brennstoffe oder durch Hochtemperaturkernreaktion freigesetzte Wärmeenergie in einem Röhrenofen an das Arbeitsmittel des Gasturbinenprozesses indirekt übertragen wird, das Arbeitsmittel in der Gasturbinenanlage unter Abgabe technischer Arbeit expandiert, danach Wärme an den Wasserdampfkreisprozeß indirekt abgibt, bevor es mechanisch auf seinen Anfangsdruck rückverdichtet und dem Röhrenofen wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmittel im geschlossenen Gasturbinenprozeß hauptsächlich Methan und Wasserdampf enthaltendes Gemisch, dessen Zusammensetzung einem Mol-Verhältnis CHд : HpO von 1 : 1,5 bis 4,0 entspricht, verwendet wird, das bei Wärmezufuhr im Temperaturbereich zwischen 300 und 1000 0G und bei Drücken von 5 bis 50 Ъах im Beisein eines bekannten Katalysators zu Spaltgas umgewandelt wird und das nach der Expansion in der Gasturbine unter Drücken von 1 bis 15 bar im Temperaturbereich von 300 bis 600 0C unter Wärmeabgabs an einen bekannten Wasserdampf-Kraftprozeß exotherm wieder zum Methan-Wasserdampf-Geinisch der obengenannten Zusammensetzung im Beisein eines bekannten Katalysators reagiert, und daß das Gemisch oder nach Kondensation des Dampfanteiles der Gasanteil des Gemisches mechanisch rückverdichtet wird und dem Röhrenofen gegebenenfalls nach Zuführung des auskondensierten Dampfanteiles wieder zugeleitet wird.
  2. 2. Wärmekraftprozeßkombination nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Expansion des Arbeitsmitteis in der Gasturbine mehrstufig erfolgt und daß dem Arbeitsmittel zwischen den Gasturbinenstufen zusätzlich indirekt Wärme - gegebenenfalls im Beisein eines Katalysators übertragen wird.
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