DD242850A5

DD242850A5 - Verfahren zum erzeugen elektrischer energie in einem kombinierten gas- und dampfturbinenkraftwerk mit vorgeschalteter kohlevergasungsanlage

Info

Publication number: DD242850A5
Application number: DD86286667A
Authority: DD
Inventors: Karl-Heinz Dutz; Adolf Linke; Gerhard Wilmer; Michael Kuehn
Original assignee: ��@��@��k��
Priority date: 1985-02-15
Filing date: 1986-01-31
Publication date: 1987-02-11
Also published as: JPS61190104A; DE3505157A1; ZA858959B; US4825638A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie in einem kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit vorgeschalteter Kohlevergasungsanlage. Waehrend es das Ziel der Erfindung ist, ein wirtschaftliches Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie zur Verfuegung zu stellen, welches mit relativ niedrigem Wartungsaufwand verbunden ist, besteht die Aufgabe darin, bei einem Verfahren der eingangs erwaehnten Art den Gesamtwirkungsgrad des Stromerzeugungsprozesses dadurch zu verbessern, dass die fuehlbare Waerme des in der Kohlevergasungsanlage erzeugten heissen Rohgases durch eine Waermeuebertragung auf das kalte entstaubte und entschwefelte Reingas moeglichst weitgehend in der Gasturbine genutzt wird. Bei diesem Verfahren wird das entstaubte und entschwefelte Reingas vor dem Eintritt in die Brennkammer der Gasturbine im indirekten Waermeaustausch mit dem heissen Rohgas bis auf eine Temperatur von 300 bis 500C vorgewaermt. Dieser Waermeaustausch erfolgt dabei in einem Roh-Reingaswaermeaustauscher, dessen Waermeaustauschflaechen in den Abhitzekessel der Kohlevergasungsanlage integriert sind.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie in einem kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerk - mit vorgeschalteter Kohlevergasungsanlage, in der die eingesetzte feinkörnige bis staubförmige Kohle bei einem Druck von >1 bar sowie einer Temperatur >1 000⁰C unter Erzeugung eines Partialoxidationsgases umgesetzt wird, dessen brennbare Bestandteile im wesentlichen aus CO und H₂ bestehen, wobei das gewonnene Partialoxidationsgas unter Dampferzeugung in einem Abhitzekessel abgekühlt, anschließend entstaubt und entschwefelt und danach in einer Brennkammer unter Erzeugung eines heißen Rauchgases verbrannt wird, welches der Gasturbine des Kraftwerkes zugeführt wird, während der im Abhitzekessel erzeugte Dampf gemeinsam mit dem im Abhitzedampferzeuger der Gasturbine gewonnenen Dampf der Dampfturbine des Kraftwerkes zugeführt wird.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Verfahren der vorstehend genannten Art sind aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen mit unterschiedlichen Varianten bekannt. In jüngster Zeit haben diese Verfahren im Hinblick auf die sich verschärfenden Umweltdiskussionen erheblich an · Bedeutung gewonnen. Gegenüber den bisher üblichen Methoden zur Erzeugung elektrischer Energie, bei denen die als Energiequelle dienende Kohle oder andere fossile Brennstoffe unter Dampfkesseln verbrannt und der dabei gewonnene Dampf zum Zwecke der Stromerzeugung in Dampfturbinen entspannt wird, zeichnen sich diese Verfahren durch eine erheblich höhere Umweltfreundlichkeit aus. Während bei der Verbrennung die in der Kohle oder den anderen fossilen Brennstoffen enthaltenen Schwefelverbindungen in Schwefeldioxid überführt werden, das aus den Abgasen der Kraftwerke nur mit erheblichem Aufwand und erheblichen Kosten entfernt werden kann, werden bei einer dem Kraftwerk vorgeschalteten Vergasung die im Brennstoff enthaltenen Schwefelverbindungen nicht in Schwefeldioxid sondern vor allem in Schwefelwasserstoff überführt. Dieser läßt sich jedoch aus dem erzeugten Gas verhältnismäßig leicht durch geeignete, physikalisch und chemisch wirkende Waschprozesse entfernen, so daß das erzeugte Gas weitgehend schwefelfrei dem Kraftwerk zugeführt werden kann und damit eine Umweltbelastung durch Schwefeldioxid vermieden wird.

Bei der Durchführung eines Verfahrens der eingangs genannten Art hängt die Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung sehr stark von der weitestgehenden Nutzung der insgesamt anfallenden fühlbaren Wärmeenergie ab. Hierbei ist insbesondere zu berücksichtigen, daß nach dem heutigen Stande der Technik der Dampfturbinenprozeß einen schlechteren Wirkungsgrad aufweist als der Gasturbinenprozeß. Deshalb ist es wichtig, daß ein möglichst großer Anteil der insgesamt anfallenden fühlbaren Wärmeenergie der Gasturbine zugeführt und damit der Gesamtwirkungsgrad des Stromerzeugungsprozesses verbessert wird.

In diesem Zusammenhang gewinnen Überlegungen an Bedeutung, wie ein möglichst großer Anteil der fühlbaren Wärme des aus der Kohlevergasungsanlage austretenden heißen Rohgases an das kalte entstaubte und entschwefelte Reingas übertragen werden kann, das der Brennkammer der Gasturbine zugeführt wird. Bei sauberen Gasen bereitet ein derartiger Wärmeaustauschprozeß im Prinzip keine Schwierigkeiten, und es sind hierfür verschiedene technische Lösungen bekannt und erprobt. Im Gegensatz hierzu enthalten jedoch die aus der Kohlevergasungsanlage austretenden heißen Rohgase neben Flugstaubpartikeln auch Bestandteile, die unter den gegebenen Betriebsbedingungen kondensieren und so zu einer Verkrustung und Verschmutzung auf den rohgasseitigen Wärmeaustauscherflächen führen. Diese Verunreinigungen können dabei bis zu einer völligen Verstopfung der Rohgasseite des Wärmeaustauschers führen, und ein entsprechend verschlechterter Wärmeübergang ist selbstverständlich die Folge davon. Versuche haben ergeben, daß diises Problem auch nicht durch die Vorschaltung von Staubabscheidern im Dauerbetrieb befriedigend gelöst werden kann. Auch der Einsatz von zwei Wärmeaustauschern, von denen jeweils einer in Betrieb ist, während der andere gereinigt wird, stellt wegen der damit verbundenen hohen Anlage- und Betriebskosten keine praktische Lösung des Problems dar. Schließlich ist es auch nicht

möglich, durch den Einbau von Reinigungsgeräten in bekannte Gas-Gaswärmeaustauscher für eine Reinigung der Wärmeaustauscherflächen während des laufenden Betriebes zu sorgen, da für dieses Problem bisher keine technisch brauchbare Lösung gefunden wurde, die eine Reinigung der Wärmeaustauscherflächen und ein gleichzeitiges Ausschleusen der abgeschiedenen Verunreinigungen während des laufenden Betriebes ermöglicht.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein wirtschaftliches Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie zur Verfugung zu stellen, welches mit relativ niedrigem Wartungsaufwand verbunden ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art den Gesamtwirkungsgrad des Stromerzeugungsprozesses dadurch zu verbessern, daß die fühlbare Wärme des in der Kohlevergasungsanlage erzeugten heißen Rohgases durch eine Wärmeübertragung auf das kalte entstaubte und entschwefelte Reingas möglichst weitgehend in der Gasturbine genutzt wird, wobei jedoch die vorstehend geschilderten Schwierigkeiten vermieden werden sollen. Gleichzeitig soll durch das erfindungsgemäße Verfahren eine optimale Ausnutzung der fühlbaren Wärme des Rohgases zum Antrieb der Gasturbine auch dann erreicht werden, wenn die Kohlevergasungsanlage lediglich im Teillastbetrieb gefahren werden kann.

Das der Lösung dieser Aufgabe dienende Verfahren der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das entstaubte und entschwefelte Reingas vor dem Eintritt in die Brennkammer in einem Roh-Reingaswärmeaustauscher, dessen Wärmeaustauschflächen in den Abhitzekessel der Kohlevergasungsanlage integriert sind, bis auf eine Temperatur von 300 bis 500⁰C vorgewärmt wird.

Da Abhitzekessel auf Grund ihrer konstruktiven Gegebenheiten sowohl im Hinblick auf die Ausgestaltung des Druckmantels als auch die Ausgestaltung der Heizflächen für den wirtschaftlichen Einbau von Reinigungsgeräten geeignet sind, ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren im Gegensatz zu den normalen Gas-Gaswärmeaustauschern möglich, die Verschmutzungen auf den rohgasseitigen Wärmeaustauscherflächen durch den Einbau von Reinigungsgeräten an den relevanten Stellen des Abhitzekessels während des laufenden Betriebes zu entfernen, so daß ein Dauerbetrieb möglich ist. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner vorteilhaft, wenn ein Abhitzekessel zur Anwendung gelangt, dessen dem Rohgas-Reingaswärmeaustauscher vorgeschaltete Kesselheizflächen so ausgebildet sind, daß sie Wahlweise als Eco- oder Sattdampfheizflächen geschaltet werden können. Dadurch kann die Rohgastemperatur am Eintritt in den in den Abhitzekessel integrierten Rohgas-Reingaswärmeaustauscher zur Einstellung der gewünschten Reingasendtemperatur variiert werden.

Zur weiteren Optimierung der Wärmeaustragung an das Reingas kann ferner hinter dem Abhitzekessel ein dampf beheizter Wärmeaustauscher angeordnet werden, der von dem Reingas vor dem Eintritt in die Brennkammer der Gasturbine durchflossen wird. Dieser Wärmeaustauscher wird dabei mit Wasserdampf aus dem vorgeschalteten Abhitzekessel beheizt. Hierbei wird vorzugsweise Wasserdampf mit einer Temperatur von 525 bis 540°C sowie einem Druck von 140 bis 160 bar verwendet. Durch diese Schaltung ist es möglich, auch bei extremen Bedingungen des Teillastbetriebes der Kohlevergasungsanlage, das heißt, wenn die im Abhitzekessel durch das Rohgas zur Verfügung gestellte fühlbare Wärme wesentlich geringer ist als im Normalfall, einen erhöhten Anteil der fühlbaren Wärme des Rohgases über die Gasturbine zu nutzen. Zweckmäßigerweise werden die rohgasseitigen Wärmeaustauschflächen des in den Abhitzekessel integrierten Rohgas-Reingaswärmeaustauschers abgereinigt.

Ausführungsbeispiel

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen nachfolgend anhand des in der Abbildung dargestellten Biockschaltschemas erläutert werden.

Die in diesem Blockschaltschema dargestellte Gesamtanlage besteht aus vier miteinander verbundenen Anlagenkomplexen 1-4. Hierbei umfaßt der Anlagenkomplex 1 die Kohlevergasungsanlage mit dem dazugehörigen Abhitzekessel und den in den Abhitzekessel integrierten Rohgas-Reingaswärmeaustauscher 10 sowie die Gasentstaubung. Der Anlagenkomplex 2 umfaßt alle Einrichtungen, die für die Entschwefelung des Rohgases erforderlich sind. Der Anlagenkomplex 3 umfaßt die Einrichtungen der Luftzerlegungsanlage, während Anlagenkomplex 4 das Kraftwerk mit den Gas- und Dampfturbinen darstellt. Weitere Einzelheiten bezüglich der apparativen Ausgestaltung der einzelnen Anlagenkomplexe sind in dem vorliegenden Blockschaltschema nicht dargestellt. Es ist jedoch davon auszugehen, daß sämtliche Anlagenkomplexe mit bekannten Anlagen und Aggregaten betrieben werden können.

In der Kohlevergasungsanlage des Anlagenkomplexes 1 wird die eingesetzte feinkörnige bis staubförmige Kohle durch Partialoxidation mit Sauerstoff unter einem Druck von >1 bar bei einer Temperatur von >1 000⁰C vergast. Die hierbei frei werdende Reaktionswärme wird dadurch genutzt, daß das erzeugte heiße Rohgas durch den Abhitzekessel der Kohlevergasungsanlage sowie den darin integrierten Roh-Reingaswärmeaustauscher 10 geleitet wird. Hierbei kann im

Abhitzekessel überhitzter Wasserdampf mit einem Druck bis 160 bar sowie einer Temperatur von 525 bis 54O⁰C erzeugt werden, der über die Leitung 5 den Dampfturbinen des Kraftwerkes (Anlagenkomplex 4) zugeführt wird. Das im Abhitzekessel und im Rohgas-Reingaswärmeaustauscher 10 entsprechend abgekühlte Rohgas gelangt nach seiner Entstaubung über die Leitung 12 in den Anlagenkomplex 2, in dem seine Entschwefelung erfolgt. Das hierbei anfallende kalte Reingas wird über die Leitung 6 in den Rohgas-Reingaswärmeaustauscher 10 zurückgeführt und dort im indirekten Wärmeaustausch mit dem heißen Rohgas vorgewärmt. Anschließend gelangt das Reingas über die Leitung 13 in den dampfbeheizten Wärmeaustauscher 11, der vorzugsweise bei einem Teillastbetrieb der Kohlevergasungsanlage genutzt wird. Für die Beheizung des Wärmeaustauschers 11 wird dabei Dampf aus dem Abhitzekessel verwendet, der aus der Leitung 5 über die Leitung 15 abgezweigt wird. Das Reingas wird dabei insgesamt bis auf eine Temperatur von 500⁰C vorgewärmt und gelangt über die Leitung 14 in das Kraftwerk (Anlagenkomplex 4). Aus der Luftzerlegungsanlage (Anlagenkomplex 3) wird gleichzeitig über die Leitung 7 Stickstoff zugeführt, der dem vorgewärmten Reingas vor oder in der Brennkammer der Gasturbine in einer solchen Menge zugemischt wird, daß das dort erzeugte Rauchgas mit einer Temperatur von 1100 bis 1 500°C der Gasturbine zugeführt werden kann. Wie bereits weiter oben erwähnt, kann die Reingasendtemperatur innerhalb des weiter oben angegebenen Temperaturbereiches dadurch variiert werden, daß im Abhitzekessel Ecoheizflächen auf Sattdampfheizflächen umgeschaltet werden. Die Leitung 8 für das Kesselspeisewasser und die Leitung 9 für das Dampfkondensat aus dem Wärmeaustauscher 11 sind Teilströme des Wärmeverbundes zwischen den Anlagenkomplexen 1 und 4. Die für die Luftzerlegung benötigte Luft wird dem Anlagenkomplex 3 über die Leitung 16 zugeführt.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie in einem kombinierten Gas-und Dampfturbinenkraftwerk mit vorgeschalteter Kohlevergasungsanlage, in der die eingesetzte feinkörnige bis staubförmige Kohle bei einem Druck von > 1 bar sowie einer Temperatur > 1 000°C unter Erzeugung eines Partialoxidationsgases umgesetzt wird, dessen brennbare Bestandteile im wesentlichen aus CO und H₂ bestehen, wobei das gewonnene Partialoxidationsgas unter Dampferzeugung in einem Abhitzekessel abgekühlt, anschließend entstaubt und entschwefelt und danach in einer Brennkammer unter Erzeugung eines heißen Rauchgases verbrannt wird, welches der Gasturbine des Kraftwerkes zugeführt wird, während der im Abhitzekessel erzeugte Dampf gemeinsam mit dem im Abhitzedampferzeuger der Gasturbine gewonnenen Dampf der Dampfturbine des Kraftwerkes zugeführt wird, gekennzeichnet dadurch, daß das entstaubte und entschwefelte Reingas vor dem Eintritt in die Brennkammer in einem Rohgas-Reingaswärmeaustauscher, dessen Wärmeaustauschflächen in den Abhitzekessel der Kohlevergasungsanlage integriert sind, bis auf eine Temperatur von 300⁰C bis 500⁰C vorgewärmt wird.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Abhitzekessel zur Anwendung gelangt, dessen dem Rohgas-Reingaswärmeaustauscher vorgeschaltete Kesselheizflächen so ausgebildet sind, daß sie wahlweise als Eco- oder Sattdampfheizflächen geschaltet werden können.
3. Verfahren nach den Punkten 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das vorgewärmte Reingas nach Passieren des Abhitzekessels vor dem Eintritt in die Brennkammer der Gasturbine zusätzlich durch einen Wärmeaustauscher geleitet wird, der mit Wasserdampf aus dem Abhitzekessel beheizt wird.
4. Verfahren nach den Punkten 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die rohgasseitigen Wärmeaustauschflächen des in den Abhitzekessel integrierten Rohgas-Reingaswärmeaustauschers abgereinigt werden.