DE102008047930B4

DE102008047930B4 - Direkte Rohgaskühlung in der Flugstromvergasung

Info

Publication number: DE102008047930B4
Application number: DE200810047930
Authority: DE
Inventors: Christian Görsch; Frank Hannemann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2028-09-20
Also published as: CN101676523B; CN101676523A; DE102008047930A1

Abstract

Verfahren zur Rohgasbehandlung demzufolge in einer IGCC-Anlage, die eine Vergasung von flüssigen oder festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen (1-20) und ein nachgeschaltetes Gas- und Dampfkraftwerk (GuD) (1-25) umfasst, das in der Vergasung gewonnene Rohgas (2-1, 3-1) durch eine Kühlerkolonne (2-2) geführt wird, die Kühlerkolonne (2-2) mit einem Wärmetauscher (1-5, 2-5, 3-5) einen Kühlerkreislauf bildet, dem Rohgas (2-1, 3-1) über den Kühlkreislauf Wärme entzogen wird, das abgekühlte Rohgas einer Gasreinigung (1-18, 2-18) unterzogen wird, der Wärmetauscher (1-5, 2-5, 3-5) mit einem Sättiger (1-7, 2-7) einen Sättigerkreislauf bildet, und dem gereinigten Rohgas (2-6) in dem Sättiger die Wärme aus dem Wärmetauscher zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rohgasbehandlung in einer IGCC-(Integrated Gasification Combined Cycle – Gas- und Dampfkraftwerk mit integrierter Kohlevergasung)Anlage.
Wird ein im Vergasungsprozess entstehendes Rohgas nach der nassen Entstaubung und Halogen- und Alkaliwäsche in einer Rohgasshift weiterbehandelt und folgend einer Gasreinigung unterzogen, muss das aus dem Rohgasshift austretende Rohgas gekühlt und eine entsprechende Wärmemenge abgeführt werden.
Das zur Verfügung stehende Temperaturniveau wird unter anderem durch den Wasserdampfpartialdruck im Rohgas bestimmt. Insbesondere bei IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle – Gas- und Dampfkraftwerk mit integrierter Kohlevergasung).-Anwendungen ist hinsichtlich einer Wirkungsgradoptimierung eine effektive Rückführung der auszukoppelnden Wärmemenge in andere Anlagenteile und eine gasseitige Druckverlustminimierung anzustreben.
Für IGCC Anwendungen mit CO2-Abtrennung unter Berücksichtigung einer Flugstromvergasung mit Vollquenchung beeinflusst die Prozesswassertemperatur für den Vollquench den Gesamtwirkungsgrad.
In bisherigen Anwendungen wird die abzuführende Wärmemenge im Rohgasstrom nach dem Rohgasshift durch zahlreiche indirekte Wärmetauscher realisiert, die zu einem hohen Druckverlust über die Gaskühlungsstrecke führen.
Aus der DE 33 27 367 A1 ist ein Mittellastkraftwerk mit einer integrierten Kohlevergasungsanlage, einer mehrstufigen Rohgas-Wärmetauscheranlage, einem Gasturbinenkraftwerksteil und einem Dampfkraftwerksteil bekannt. Bei diesem Kraftwerk wird die Abwärme des Rohgases über die Rohgas-Wärmetauscheranlage dem Dampfkraftwerksteil nutzbar zugeführt.
Aus der DE 692 200 46 T2 ist ein IGCC-Verfahren bekannt, bei dem zur Erhöhung der von der Gasturbine erzeugten Leistung aus der Vergasungsabwärme erzeugter Wasserdampf dem Brennstoffgas zugemischt wird. Die Gas/Wasserdampfmischung wird einer wärmegebenden, katalytischen Konvertierungsreaktion ausgesetzt und die damit erzeugte Eigenwärme der Gasturbine zugeführt.
Die Nachspeisung des Prozesswasserkreislaufes hinsichtlich der Flugstromvergasung mit Vollquench erfolgt u. a. mit kaltem deionisierten Wasser wobei im weiteren Verlauf das Prozesswasser vor der Quenchung z. B. mit Niederdruckdampf weiter vorgewärmt wird.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, den Wirkungsgrad einer IGCC-Anlage zu verbessern.
Das Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Durch Anordnung eines Kühler/Sättigerkreislaufes über die Gasreinigung (Rectisol) kann die als Wasserdampfanteil im Gas gebundene Wärmemenge optimal um die Gasreinigung (Rectisol) geführt und die bei bisherigen Konzepten auftretenden Kondensationsverluste minimiert werden. Weiterhin reduziert eine Direktkühlung bzw. Verdampfung die Druckverluste im Synthesegasweg und ermöglicht somit eine Maximierung des Wirkungsgrades von IGCC Anlagen. In vorteilhafter Weise ist eine ein- oder mehrstufige Direktkühlung des Rohgases nach der Rohgasshift mit einer indirekten Wärmeauskopplung über den Kühler/Sättiger-Kreislauf kombiniert. Dies führt rohgasseitig zu einer Verminderung der Wärmetauscheranzahl und somit des Druckverlustes der Rohgaskühlstrecke. Weiterhin wird das Ergänzungswasser über die Direktkühlung vorgewärmt und mit dem ausgeschleusten Überschusskreislaufwasser den Prozesswasserkreisläufen der Vergasungsinsel zugeführt. Die Aufwärmung des Prozesswassers innerhalb der Vergasungsinsel durch z. B. ND-Dampf kann damit verringert und der Gesamtwirkungsgrad des IGCC verbessert werden. Weiterhin wird die Gefahr von Ablagerungen im Wärmetauscher bei der Prozesswasservorwärmung umgangen.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipskizze eines die Erfindung realisierenden IGCC-Kraftwerks
2 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Rohgaskühlung und
3 eine besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlerkreislaufs.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
Dem in 1 dargestellten IGCC-Kraftwerk (Integrated Gasification Combined Cycle – Gas- und Dampfkraftwerk mit integrierter Kohlevergasung) wird ein fester oder flüssiger, kohlenstoffhaltiger Brennstoff (1-20) zur Vergasung in einem Vergasungsreaktor (1-21) zugeführt. In dem Vergasungsreaktor wird ein reich an Kohlenmonoxyd und Wasserstoff haltiges Synthesegas erzeugt, das einer Quench-Sektion zugeführt wird. In der Quench-Section erfolgt in bekannter Weise, vorzugsweise durch Eindüsen von Prozesswasser (1-29) im Überschuss eine Abkühlung des Synthesegases. Nach der Wasserquenchung wird das Synthesegas einer Nassentstaubung sowie einer Halogen- und Alkaliewäsche zugeführt (Venturi). Das wasserdampfgesättigte staubfreie Gas (1-22) wird nachfolgend einer CO-Konvertierung (1-23) zugeführt. Das zur Quenchung in der Quench-Sektion verwendete Wasser nimmt Vergasungsrückstände, wie z. B. Asche, auf und wird einer Abwasserbehandlung (1-27) zugeführt. Das konvertierte Synthesegas (2-1, 3-1) wird in einer Rohgaskühlung (1-24) auf eine für die nachfolgende Gasreinigung (Rectisol) (1-18) geeignete Temperatur abgekühlt. Der Rohgaskühlung (1-24) wird kaltes Ergänzungswasser (2-4, 3-10) zugeführt, das als erwärmtes Wasser (2-3, 3-7) dem Prozesswasserkreislauf der Vergasungsinsel (1-29) zugeführt wird. Der Prozesswasserkreislauf der Vergasungsinsel liefert das Zusatzwasser für die Quenchung. Von der Rohgaskühlung (1-24) erfolgt eine Wärmeauskoppelung über einen Wärmetauscher (1-5) in einen Sättiger (1-7), wo das Reingas (2-6), das die Gasreinigung (1-18) durchlaufen hat, erwärmt und gesättigt wird. Das den Sättiger verlassende Reingas (2-30) wird der Gasturbine eines Gas- und Dampfkraftwerks (1-25) zugeführt, das ausgangsseitig elektrische Energie (1-26) liefert. Der Kreislauf des Sättigers wird durch deonisiertes Wasser (2-8) gespeist. Bei der vorliegenden Anordnung wird also die Wärme des Rohgases, während es die Gasreinigung durchläuft, um die Gasreinigung herumgeführt. In einer besonderen Ausgestaltung erfolgt eine Wärmeauskoppelung (3-9) zur Vorwärmung von Kondensat in dem Gas- und Dampfkraftwerk (1-25).
2: Dem aus der CO-Shift-Sektion (1-23) tretenden Rohgas (2-1) wird in einer ersten Stufe (2-16) Wärme auf hohem Temperaturniveau zur Erzeugung von Mitteldruck(MD)-Dampf entzogen. Folgend wird das Rohgas in einer Kühlerkolonne (2-2) direkt mit Wasser gekühlt. Das dabei am Kolonnenboden anfallende Wasser wird mittels einer Pumpengruppe (2-14) im Kreislauf gefahren, in einem oder mehreren Wärmetauschern (2-5) gekühlt und der Kolonne am Kopf wieder zugeführt. Dem Kühlerkreislauf wird das für die Vergasung notwendige Zusatzwasser (1-29) entnommen (2-3). Gespeist wird der Kühlerkreislauf durch die in der Kolonne anfallenden Kondensate, die aus der Unterschreitung des Sättigungspunktes des Rohgases resultieren, und Ergänzungswasser (2-4). Die aus dem Gasstrom in den Kühlerkreislauf abgeführte Wärme wird indirekt über den Wärmetauscher (2-5) in den Sättigerkreislauf übertragen. Der Sättigerkreislauf hat die Aufgabe, das aus der Gasreinigung (2-18) tretende kalte Reingas (2-6) in der Sättigerkolonne (2-7) aufzuwärmen und mit Wasserdampf zu sättigen. Der Sättigerkreislauf wird hierbei durch DI-Wasser (2-8) gespeist.
Eine besonders vorteilhafte Schaltung des Kühlerkreislaufes hat die Anordnung nach 3):
Dem aus der CO-Shift-Sektion tretenden Rohgas (3-1) wird Wärme auf hohem Temperaturniveau zur Erzeugung von Mitteldruck(MD)-Dampf entzogen (3-16). Die weitere Wärmeauskopplung aus dem Rohgas erfolgt über zwei gasseitig in Reihe geschaltete Kühlerkreisläufe (3-2, 3-3). Das in die erste Kühlerkolonne (2-2) eintretende Kreislaufwasser kühlt das Rohgas über den Sättigungspunkt hin ab. Das anfallende Gaskondensat wird aus dem Kreislaufwasserstrom abgezogen (3-6) und mit einem Teil des Kreislaufwassers des zweiten Kühlerkreislaufes (3-12) gemischt sowie in den Prozesswasserkreislauf der Vergasungsinsel geführt (3-7). Die Wärmeauskopplung aus dem Kreislaufwasser des ersten Kühlerkreislaufes erfolgt vorzugsweise in mehreren, insbesondere zwei, Stufen. Im dargestellten Beispiel in einer ersten Stufe durch Niederdruck(ND)-Dampf-Produktion (3-4) und in einer zweiten Stufe durch Aufheizung des Sättigerkreislaufes (3-5). Die Wärmeauskopplung in den Sättigerkreislauf kann dabei über die ND-Dampf Erzeugung gesteuert werden. Die Überbrückung der notwendigen Druckdifferenz erfolgt über eine Pumpengruppe (3-14). Der zweite Kühlerkreislauf ist mit einer Kühlerkolonne (3-3), einer Pumpe (3-15) sowie einem oder mehreren Wärmeübertragern (3-9) gebildet. Das Temperaturniveau des aus der Kühlerkolonne austretenden Kreislaufwassers (3-8) ist geringer als beim ersten Kühlerkreislauf. Die Wärmeauskopplung erfolgt vorzugsweise zur GuD-Kondensatvorwärmung (3-9). Folgend wird dem Kreislaufwasser kaltes Ergänzungswasser (3-10) zugeführt, welches als Zusatzwasser (1-29) für die Vergasung benötigt wird. Dieses kühlt das Kreislaufwasser vor dem Eintritt in die Kühlerkolonne zusätzlich ab und bewirkt eine maximale Wärmeauskopplung aus dem Rohgas (2-1, 3-1) durch eine Direktkühlung. Dem in der Kühlerkolonne anfallenden Kreislaufwasser wird ein Teilstrom (3-11 + 3-12) entnommen, der dem Mengenstrom des anfallenden Gaskondensats und des Ergänzungswassers gleicht. Diesem Strom wird wiederum ein Teilstrom (3-11) entzogen, der als Ammoniaksenke dient und eine Minimierung der Ammoniakaufkonzentrierung im Gesamtsystem bewirkt. Der Purgestrom (3-11) wird einer Abwasserbehandlung zugeführt. Der verbleibende Strom (3-12) wird mit dem im ersten Kühlerkreislauf anfallenden Gaskondensat gemischt (3-6) und in den Prozesswasserkreislauf zur Vergasung geführt (3-7). Der gekühlte Rohgasstrom wird entsprechend den Anforderungen der Gasreinigung weiter gekühlt (2-17, 3-17) und zur Gasreinigung (Rectisol) (2-18, 3-18) weiter geleitet (3-13).
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist durch eine IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle – Gas- und Dampfkraftwerk mit integrierter Kohlevergasung).-Anordnung gegeben, bei der der Rohgasstrom (2-1, 3-1) nach der CO-Shift mittels einer Kühlerkolonne direkt gekühlt wird.
Bezugszeichenliste

1-5, 2-5, 3-5: Wärmetauscher Rohgaskühlung/Sättigerkreislauf
1-18, 2-18: Gasreinigung (Rectisol)
1-20: Kohlenstoffhaltiger Brennstoff, fest oder flüssig
1-21: Vergasungsreaktor mit Quenchsektion sowie Halogen- und Alkaliwäsche
1-22: Synthesegas
1-23: CO-Shift-Sektion
1-24: Rohgaskühlung
1-25: Gas- und Dampfkraftwerk (GuD)
1-26: Elektrische Energie, Strom
1-27: Abwasser
1-29: Zusatzwasser
2-1, 3-1: Rohgas nach CO-Shift
2-2, 3-2, 3-3: Kühlerkolonne
2-3, 3-7: zum Prozesswasserkreislauf der Vergasungsinsel
2-4, 3-10: Speisung Ergänzungswasser Kühlerkreislauf
2-6: Reingas nach der Gasreinigung (Rectisol)
2-7: Sättiger
2-8: Speisung Deionisiertes Wasser (DI) Sättigerkreislauf
3-4: Wärmetauscher zur Erzeugung von Niederdruck(ND)-Dampf
3-6: anfallendes Gaskondensat
3-9: Wärmeauskopplung GuD-Kondensatvorwärmung
3-11: Purgestrom zur Abwasserbehandlung
3-12: Teil des Kreislaufwassers des zweiten Kühlerkreislaufes
2-13, 3-13: gekühltes Rohgas zur Gasreinigung (Rectisol)
2-14, 3-14, 3-15: Pumpengruppe Kühlerkreislauf
2-16, 3-16: Wärmetauscher Mitteldruck-Dampferzeugung
2-19: Pumpengruppe Sättigerkreislauf
2-30: Reingas zur Gasturbine
3-6: anfallendes Gaskondensat

Claims

Verfahren zur Rohgasbehandlung demzufolge in einer IGCC-Anlage, die eine Vergasung von flüssigen oder festen, kohlenstoffhaltigen Brennstoffen (1-20) und ein nachgeschaltetes Gas- und Dampfkraftwerk (GuD) (1-25) umfasst, das in der Vergasung gewonnene Rohgas (2-1, 3-1) durch eine Kühlerkolonne (2-2) geführt wird, die Kühlerkolonne (2-2) mit einem Wärmetauscher (1-5, 2-5, 3-5) einen Kühlerkreislauf bildet, dem Rohgas (2-1, 3-1) über den Kühlkreislauf Wärme entzogen wird, das abgekühlte Rohgas einer Gasreinigung (1-18, 2-18) unterzogen wird, der Wärmetauscher (1-5, 2-5, 3-5) mit einem Sättiger (1-7, 2-7) einen Sättigerkreislauf bildet, und dem gereinigten Rohgas (2-6) in dem Sättiger die Wärme aus dem Wärmetauscher zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlerkreislauf mit Ergänzungswasser (2-4) gespeist wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das am Boden der Kühlerkolonne anfallende Wasser dem Vergaser als Zusatzwasser (1-29) zum Quenchen zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Sättigerkreislauf mit deionisiertem Wasser (DI) (2-8) gespeist wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlerkreislauf vor dem Wärmetauscher für den Sättigerkreislauf (3-5) eine Wärmeauskoppelung (3-4) zur Erzeugung von Niederdruck(ND)-Dampf erfolgt.
Verfahren nach nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeauskopplung in den Sättigerkreislauf über die Niederdruck(ND)-Dampf-Erzeugung gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Rohgas über den Sättigungspunkt hinaus abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Rohgas nach der Kühlerkolonne (3-2) und vor der Gasreinigung (1-18, 2-18) in einer zweiten Kühlerkolonne (3-3) gekühlt wird, wobei über einen mit der zweiten Kühlerkolonne (3-3), einer Pumpe (3-15) und einem Wärmeübertrager (3-9) gebildeten zweiten Kühlerkreislauf eine Wärmeauskoppelung, insbesondere zur GuD-Kondensatvorwärmung, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlerkreislauf mit Ergänzungswasser (3-10) gespeist wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass dem Rohgas (2-1, 3-1) vor der Zuführung in die Kühlerkolonne (2-2, 3-2) Wärme zur Erzeugung von Mitteldruck(MD)-Dampf (2-16, 3-16) entzogen wird.