DE10331988A1

DE10331988A1 - Verfahren zur Trennung von Restgasen und Arbeitsfluid beim Wasser-Dampf-Kombi-Prozeß

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Publication number: DE10331988A1
Application number: DE10331988A
Authority: DE
Original assignee: RERUM COGNITIO GES fur MARKTI; Rerum Cognitio Gesellschaft fur Marktintegration Deutscher Innovationen U Forschungsprodukte Mbh
Current assignee: RERUM COGNITIO GES fur MARKTI; Rerum Cognitio Gesellschaft fur Marktintegration Deutscher Innovationen U Forschungsprodukte Mbh
Priority date: 2002-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2004-02-05
Also published as: CA2497576A1; US20060117735A1; US7258724B2; AU2003250784A1; WO2004009963A1; DE10393451D2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von Restgasen und Arbeitsfluid beim Wasser-Dampf-Kombi-Prozeß, der unter Verwendung von Wasserdampf das merhstufige Verdichten und das mehrstufige Entspannen des Gemischs aus Arbeitsfluid und Reaktionsprodukten der weiteren flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffe vorsieht. DOLLAR A Die Aufgabe besteht in der Minimierung von Arbeitsfluidverlusten und Minimierung der zusätzlich benötigten Gebrauchsenergie. DOLLAR A Dazu wird das entspannte Abgas (6) aus der Hochdruckturbinenstufe (19) einem Kühlprozeß unterzogen, bis auf die Kondensationstemperatur des im Abgas (6) enthaltenen Wasserdampfes abgekühlt, die nicht kondensierten Teile des Abgases (6) werden abgeführt, wobei die Kondensation des Arbeitsfluids, die Ableitung nicht kondensierter Restgase (25), die Entspannung des Arbeitsfluid-Kondensats sowie die Verdampfung des kondensierten Arbeitsfluids in einem Restgasseparator (10) durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von Restgasen und Arbeitsfluid beim Wasser-Dampf-Kombi-Prozeß (WDK-Prozeß), der unter Verwendung von Wasserdampf als Arbeitsfluid und weiteren flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen das mehrstufige Verdichten des Arbeitsfluids und das mehrstufige Entspannen des Gemischs aus Arbeitsfluid und Reaktionsprodukten der weiteren flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffe vorsieht, wobei unmittelbar vor oder an der Beschaufelung ausgewählter Turbinenstufen die Energiezuführung von Brennstoffen vorgesehen ist.
Derartige technische Lösungen werden bei der Gebrauchsenergiegewinnung mittels WDK-Prozeß unter Einsatz von zusätzlichen Brennstoffen als Primärenergieträger benötigt.
Der an sich bekannte Wasser-Dampf-Kombi-Prozeß hat für die breite praktische Anwendung den Nachteil, nur reinen Wasserstoff als Brenngas für eine effiziente innere Verbrennung nutzen zu können. Im realen Verbrennungsprozeß entstehen in mehr oder weniger großem Umfang neben Wasserdampf Restgase, die den WDK-Prozeß aus material- und/oder sicherheitstechnischer Sicht beeinträchtigen. Bisher bekannte technische Lösungen sehen vor, derartige Restgase, gegebenenfalls unter Inkaufnahme von Verlusten des Arbeitsfluids Wasserdampf, bedarfsweise an mehreren exponierten Anlagenstellen mit hohem technischen Aufwand auszuschleusen.
Gemäß der in der EP 1 038 094 B1 beschriebenen technischen Lösung wird unmittelbar an der Beschaufelung der Hochdruckturbinenstufe als Primärenergieträger Wasserstoff und Sauerstoff eingesetzt. Im Falle des Einsatzes von natürlichen fossilen Brennstoffen, wie Heizöl oder Erdgas, entstehen als Verbrennungsprodukte Restgase, die sich vom Arbeitsfluid qualitativ unterscheiden.
Auf diese Weise kann es zu erheblichen Beeinträchtigungen des Dampf-Kraft-Prozesses kommen, weil zunehmend höhere Restgaskonzentrationen im Prozeß enthalten sind, ohne am Dampf-Kraft-Prozeß beteiligt zu sein. Im Falle des Einsatzes verunreinigter Brennstoffe, beispielsweise schwefelhaltiger Brennstoffe, kommen noch mögliche korrosive Beeinträchtigungen hinzu.
Ohne energetischen Gewinn müssen in WDK-Prozeß enthaltene Restgase verdichtet und transportiert werden und mindern damit den energetischen Wirkungsgrad des WDK-Prozesses.
Zuverlässige technische Lösungen sind zur Beseitigung dieser Mängel des Standes der Technik bisher nicht bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb im Schaffen einer technischen Lösung, mit deren Hilfe die Mängel des bekannten Standes der Technik überwunden werden können. Insbesondere geht es um die Entwicklung einer verfahrenstechnischen Lösung, die zur Minimierung von Arbeitsfluidverlusten und gleichzeitig zur Minimierung der zusätzlich benötigten Gebrauchsenergie geeignet ist.
Die Aufgabe wir erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Danach sieht ein Verfahren zur Trennung von Restgasen und Arbeitsfluid beim Wasser-Dampf-Kombi-Prozeß (WDK-Prozeß) den Einsatz von Wasserdampf als Arbeitsfluid und von weiteren flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen vor. Dabei wird das Arbeitsfluid mehrstufig verdichtet und das Gemisch aus Arbeitsfluid und Reaktionsprodukten aus den eingesetzten zusätzlichen flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen mehrstufig entspannt. Die Energiezuführung in Form von zusätzlichen Brennstoffen wird hierbei unmittelbar vor oder direkt an der Beschaufelung ausgewählter Turbinenstufen vorgesehen. Das entspannte Gas aus der Hochdruckturbinenstufe wird vor der erneuten Verdichtung einem Kühlprozeß unterzogen. Die Abkühlung der entspannten Abgase aus der Hochdruckturbinenstufe wird wenigstens bis auf die Kondensationstemperatur des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes vorgenommen.
Danach werden die nicht kondensierten Teile des Abgases aus der Hochdruckturbinenstufe aus dem WDK-Prozeß abgeführt. Das Kondensieren des Arbeitsfluids, die Ableitung nicht kondensierter Restgase aus dem Prozeß, die Entspannung des Arbeitsfluid-Kondensats sowie das Verdampfen des kondensierten Arbeitsfluids wird in einem Restgasseparator durchgeführt, der dem mehrstufigen Turboverdichter und der Niederdruckturbinenstufe vorgeschaltet ist.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird der Kühlprozeß des die Hochdruckturbinenstufe verlassenden Abgases mehrstufig durchgeführt.
Ein Teil des Energieinhaltes des die Hochdruckturbinenstufe verlassenden entspannten Abgases wird im Wärmeübertrager dem verdichteten Arbeitsfluid zugeführt. Ein weiterer Teil des Energieinhaltes des die Hochdruckturbinenstufe verlassenden entspannten Abgases wird im Kondensatvorwärmer auf das gewonnene Kondensat übertragen. Die restliche Abkühlung des Arbeitsfluid-Abgas-Gemisches bis auf die Sättigungstemperatur des Arbeitsfluids wird im Niederdruckdampf-/Abgaskühler unmittelbar vor dem Restgasseparator durchgeführt.
Aus Gründen der rationellen Nutzung der Prozeßenergie wird die zur Überführung des Kondensats in das entspannte Arbeitsfluid benötigte Verdampfungswärme wenigstens teilweise aus der abzuführenden Kondensationswärme des zuvor kondensierten Arbeitsfluids gewonnen.
Die Vorteile des Verfahrens bestehen zusammengefaßt in der nun verfügbaren technischen Lösung, den an sich energetisch überlegenen WDK-Prozeß, der bevorzugt unter Einsatz von Knallgas als Primärenergieträger durchgeführt wird, nunmehr auch mit Hilfe von geeigneten weiteren Primärenergieträgern durchzuführen. Solche Primärenergieträger sind beispielsweise Erdgas, biogene oder synthetische Brenngase, die bei ihrer Anwendung zu Reaktionsprodukten führen, welche nur teilweise mit dein Arbeitsfluid identisch sind. Die qualitativ vom Arbeitsfluid abweichenden Abgasinhaltsstoffe müssen zur Aufrechterhaltung eines energetisch effizienten WDK-Prozesses ständig dem Prozeß entzogen werden. Dies gelingt nun mit minimalem apparativen und verfahrenstechnischen Aufwand durch den vorgeschlagenen Restgasseparator, der unmittelbar vor dem Turboverdichter und der parallel geschalteten Niederdruckturbinenstufe zum Einsatz gebracht wird.
Die Erfindung soll nachstehend mit einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
In der beigefügten Zeichnung zeigen:
1 ein Blockschaltbild ausgewählter Komponenten einer Anlage zur Durchführung des WDK-Prozesses;
2 die schematische Darstellung des Druck-/Temperaturverlaufs für Wasserdampf im Bereich des vom Restgasseparator genutzten Parameterfeld.
Ausführungsbeispiel
Gemäß der 1 und 2 wird entspannter Wasserdampf 1 sowohl einem Turboverdichter 15 als auch einer Niederdruckturbinenstufe 22 zugeführt. Turboverdichter 15, Niederdruckturbinenstufe 22, Hochdruckturbinenstufe 19, Generator 29 und Anwurfmotor 28 sind auf einer gemeinsamen Welle 32 angeordnet. Mit dein Turboverdichter 15 wird verdichteter Dampf 2 erzeugt und dem Hochdruckdampfkühler 16 zugeführt. Diesem Hochdruckdampfkühler 16 wird auch vorerhitztes Kondensat 14 eingedüst, das von der Kondensatpumpe 24 gefördert wird. Der verdichtete und gekühlte Dampf 3 gelangt aus dem Hochdruckdampfkühler 16 in den Wärmeübertrager 17. Im Wärmeübertrager 17 wird ein Teil der fühlbaren Wärme des entspannten Abgases 6 aus der Hochdruckturbinenstufe 19 auf den gekühlten Dampf 3 übertragen. Den Wärmeübertrager 17 verläßt nun überhitzter Wasserdampf 4, der dem Erhitzer 18 zugeführt wird. Im Erhitzer 18 wird Erdgas 26 und Sauerstoff 27 verbrannt, so daß den Erhitzer 18 nun ein Gemisch aus überhitztem Dampf 4 und den Reaktionsprodukten aus der Brenngasreaktion 26 und 27 verläßt. Dieses Gemisch 5 gelangt in die Hochdruckturbinenstufe 19, mit deren Hilfe dem Gemisch 5 die auf die gemeinsame Welle 32 übertragene mechanischen Energie entnommen wird. Das entspannte Abgas 6 aus der Hochdruckturbinenstufe 19 gelangt zunächst in den Wärmeübertrager 17.
Das teilweise abgekühlte entspannte Abgas 7 aus der Hochdruckturbinenstufe 19 wird vom Wärmeübertrager 17 zum Kondensatvorwärmer 20 geleitet. Dort wird ein weiterer Teil der fühlbaren Wärme des die Hochdruckturbinenstufe 19 verlassenden entspannten Abgases 6 auf das Kondensat 13 übertragen. Vom Kondensatvorwärmer 20 gelangt das weiter abgekühlte Turbinenabgas 8 zum Niederdruckdampf-/Abgaskühler 21, mit dessen Hilfe unter Einsatz von Anteilen des Kondensats 13 bis auf die Sättigungstemperatur abgekühltes Turbinenabgas 9 gewonnen wird. Dieses abgekühlte Turbinenabgas 9 wird mit einem Druck von 1,2 bar und einer Temperatur von 104,78°C dem Restgasseparator 10 zugeführt. An den Kondensationsflächen kondensiert der im Turbinenabgas 9 enthaltene Wasserdampf. Durch Drosselarmaturen werden die unkondensierten Restgasmengen 25 und das gewonnene Kondensat auf 1,0 bar entspannt, wobei das Kondensat auf eine Temperatur von 99,61°C abgekühlt wird. Auf der Verdampferseite der Kondensationsflächen des Restgasseparators 10 wird das entspannte Kondensat anschließend verdampft, wobei die Verdampfungswärme den Kondensationsflächen entnommen wird, auf die die Kondensationswärme des dem Restgasseparator 10 zugeführten Wasserdampfs übertragen wird. Der der Niederdruckturbinenstufe 22 zugeführte Dampf 1 verläßt die Niederdruckturbinenstufe 22 als entspannter Dampf 11 und gelangt in den Verflüssiger 23. Nach dem Verflüssiger 23 wird das dort anfallende Kondensat von der Kondensatpumpe 24 gefördert und in wählbaren Anteilen parallel dem Kondensatvorwärmer 20, dem Niederdruckdampf-/Abgaskühler 21 und der Turbinenkühlung 30 zugeführt. Nach der Kondensatpumpe 24 wird bevorzugt dem Kondensatfördersystem überschüssiges Kondensat über die Ableitung 31 entnommen.

1: entspannter Dampf vor dem Turboverdichter 15 und vor der
: Niederdruckturbinenstufe 22
2: verdichteter Dampf vor dem Hochdruckdampfkühler 16
3: verdichteter Dampf vor dem Wärmeübertrager 17
4: überhitzter Dampf nach dem Wärmeübertrager 17
5: Gemisch nach dem Erhitzer 18 aus überhitztem Dampf und dem
: Reaktionsprodukt aus der Brenngasreaktion
6: entspanntes Abgas aus der Hochdruckturbinenstufe 19
7: entspanntes Abgas aus der Hochdruckturbinenstufe 19 nach dem
: Wärmeübertrager 17
8: abgekühltes Turbinenabgas nach dem Kondensatvorwärmer 20
9: abgekühltes Turbinenabgas nach dem Niederdruck
: dampf-/Abgaskühler 21
10: Restgasseparator
11: entspannte Dampf nach der Niederdruckturbinenstufe 22
12: Kondensat nach dem Verflüssiger 23
13: Kondensat nach der Kondensatpumpe 24
14: vorerhitztes Kondensat vor dem Hochdruckdampfkühler 16
15: Turboverdichter
16: Hochdruckdampfkühler
17: Wärmeübertrager
18: Erhitzer
19: Hochdruckturbinenstufe
20: Kondensatvorwärmer
21: Niederdruckdampf-/Abgaskühler
22: Niederdruckturbinenstufe
23: Verflüssiger
24: Kondensatpumpe
25: Restgas
26: Brenngas
27: Sauerstoff
28: Anwurfmotor
29: Generator
30: Turbinenkühlung
31: Ableitung des Überschußkondensats
32: gemeinsame Welle von Turbine, Verdichter und Generator

Claims

Verfahren zur Trennung von Restgasen und Arbeitsfluid beim Wasser-Dampf-Kombi-Prozeß, der unter Verwendung von Wasserdampf als Arbeitsfluid und weiteren flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen das mehrstufige Verdichten des Arbeitsfluids und das mehrstufige Entspannen des Gemischs aus Arbeitsfluid und Reaktionsprodukten der weiteren flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffe vorsieht, wobei unmittelbar vor oder an der Beschaufelung ausgewählter Turbinenstufen die Energiezuführung in Form von Brennstoffen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das entspannte Abgas (6) aus der Hochdruckturbinenstufe (19) vor der erneuten Verdichtung einem Kühlprozeß unterzogen wird, daß die Abkühlung der entspannten Abgase (6) aus der Hochdruckturbinenstufe (19) wenigstens bis auf die Kondensationstemperatur des im Abgas (6) enthaltenen Wasserdampfes vorgenommen wird, daß danach die nicht kondensierten Teile des Abgases (6) aus dem Wasser-Dampf-Kombi-Prozeß abgeführt werden und daß die Kondensation des Arbeitsfluids, die Ableitung nicht kondensierter Restgase (25), die Entspannung des Arbeitsfluid-Kondensats sowie die Verdampfung des kondensierten Arbeitsfluids in einem dem mehrstufigen Turboverdichter (15) und der Niederdruckturbinenstufe (22) vorgeschalteten Restgassepatator (10) durchgeführt wird.
Verfahren zur Trennung von Restgasen und Arbeitsfluid beim Wasser-Dampf- Kombi-Prozeß nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlprozeß für das die Hochdruckturbinestufe (19) verlassende entspannte Abgas (6) mehrstufig durchgeführt wird.
Verfahren zur Trennung von Restgasen und Arbeitsfluid beim Wasser-Dampf- Kombi-Prozeß nach dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrstufige Abkühlung des die Hochdruckturbinenstufe (19) verlassende entspannte Abgas (6) zunächst im Wärmeübertrager (17), anschließend im Kondensatvorwärmer (20) und im Niederdruck- dampf-/Abgaskühler (21) durchgeführt wird.
Verfahren zur Trennung von Restgasen und Arbeitsfluid beim Wasser-Dampf-Kombi-Prozeß nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Überführung des Kondensats (12) in das Arbeitsfluid benötigte Verdampfungswärme aus der abzuführenden Kondensationswärme gewonnen wird.