DE10356701A1

DE10356701A1 - Verfahren zur Verbrennung von fossilen Brennstoffen in einem Dampferzeuger nach dem Oxyfuel-Prozess

Info

Publication number: DE10356701A1
Application number: DE10356701A
Authority: DE
Inventors: G. Paul Gilli
Original assignee: Vattenfall Europe Generation AG and Co KG
Current assignee: Vattenfall Europe Generation AG and Co KG
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2005-06-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von fossilen Brennstoffen in einem Dampferzeuger nach dem Oxyfuel-Prozess, wobei abgekühltes Rauchgas entstaubt wird. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile der heißgehenden und kalten Rezirkulation von Rauchgas bei Ausschluss deren Nachteile für den Prozess der Verbrennung von fossilen Brennstoffen nach dem Oxyfuel-Prozess miteinander zu verbinden, also, sowohl den besseren Wirkungsgrad der heißgehenden Rezirkulation zumindest annähernd zu erreichen jedoch auch den Vorteil der kalten Rezirkulation mit ihrer einfacheren Entstaubung zu gewährleisten. DOLLAR A Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Teilstrom oder der gesamte Strom des Rauchgases nach Austritt aus dem Dampferzeuger (1) einem separaten Wärmetauscher (5) zugeführt und die Wärme des Rauchgases im Wärmetauscher (5) an einen Teilstrom des abgekühlten und entstaubten Rauchgases übertragen und der so werwärmte Teilstrom des Rauchgases dem Dampferzeuger (1) und/oder einer Feuerung zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von fossilen Brennstoffen in einem Dampferzeuger nach dem Oxyfuel-Prozess, wobei abgekühltes Rauchgas entstaubt wird.

Bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern zur Erzeugung von elektrischer Energie ist das Rauchgas mit vielen Schadstoffen belastet. Deshalb werden dem Kraftwerksprozess u. a. Rauchgasreinigungsanlagen nachgeschaltet, um den Schadstoffanteil im Rauchgas zu vermindern. Dies zählt zu den Sekundärmaßnahmen, welche den gesamten Energieumwandlungsprozess umweltfreundlicher gestalten. Primär können jedoch bereits Maßnahmen ergriffen werden, um die Bildung der entsprechenden Schadstoffe beim Verbrennungsprozess weitgehend zu minimieren.

In den letzten Jahren ist der zivilisationsbedingte Ausstoß von CO₂ als ein mutmaßlicher Hauptverursacher des klimaverändernden Treibhauseffekts immer stärker in die öffentliche Kritik geraten.

Mittlerweile sehen sich durch das Kyoto-Protokoll auch Hersteller und Betreiber von fossil befeuerten Energieerzeugungsanlagen in die Pflicht genommen, Konzepte zur Reduzierung der spezifischen CO₂-Emission bereitzuhalten. Beispielsweise stammt der größte Teil des in Deutschland erzeugten CO₂ aus fossil befeuerten Kraftwerken und industriellen Anlagen.

Eine weitere Erhöhung der Umwandlungswirkungsgrade, also eine Verringerung des Brennstoffeinsatzes bei gleichbleibend hoher Erzeugerleistung, kann angesichts des steigenden Energiebedarfs jedoch bestenfalls eine Stagnation der jährlich emittierten CO2-Menge bewirken. Für eine deutliche Reduzierung unter Festhalten an fossilen Energieträgern kommt daher nur eine Abscheidung und klimaunwirksame Deponierung des erzeugten CO2 in Frage.

Unter der Voraussetzung, dass sich die zurzeit untersuchten Verfahren für Transport und Speicherung von CO₂ als tauglich für den großtechnischen Einsatz erweisen, stellt der sogenannte Oxyfuel-Prozess ein vielversprechendes Kraftwerkskonzept dar, das anstelle der Emission von Rauchgasen einen CO₂-Strom von hoher Reinheit bereitstellen kann. Bei einem Oxyfuel-Prozess wird anstelle der Luft als Oxidationsmittel Sauerstoff der Verbrennung zugeführt.

So beschreibt beispielsweise die DE 43 13 102 A1 ein Verfahren zur Eliminierung der Stickoxidbildung, insbesondere bei der Sonderabfallverbrennung, bei dem der Abfall unter Einsatz regelbarer Energieträger verbrannt, die Schlacke abgezogen, das Rauchgas durch Dampferzeugung abgekühlt und einer Rauchgasreinigung unterzogen wird. Im Wesentlichen ersetzt ein Verbrennungsgas, welches sich hauptsächlich aus CO₂ (Rauchgas) und Sauerstoff zusammensetzt, die Verbrennungsluft. Dadurch wird derjenige Anteil der Stickoxide im Rauchgas, welcher auf den Luftstickstoff zurückzuführen ist, stark reduziert.

Beim Oxyfuel-Prozess wird beispielsweise mittels einer Luftzerlegungsanlage aus der Verbrennungsluft der Stickstoff extrahiert und nur der Sauerstoffstrom mit einer hohen Reinheit (95 – 99,7 %) geht in den Verbrennungsprozess ein. Dies führt zu einem um ca. 75 % kleineren Rauchgasmassenstrom, der Normvolumenstrom verringert sich auf etwa ein Sechstel des ursprünglichen Wertes (Verbrennungsrechnung). Durch Leckluft, Brennstoffstickstoff und vor allem durch einen hohen Wassergehalt im Brennstoff wird das Rauchgasvolumen häufig nur um den Faktor 3 vermindert.

Bei der Verbrennung nur mit Sauerstoff wird in der Brennkammer der bei konventionellen Anlagen miteingetragene Stickstoff definitionsgemäß nicht eingetragen, das heißt es entsteht bei gleicher Wärmefreisetzung ein wesentlich geringerer Massenstrom bzw. Wärmekapazitätsstrom der Rauchgase, was das Rauchgastemperaturniveau (u. a. die adiabate Verbrennungstemperatur) wesentlich erhöht.

Wesentlich erhöhte Temperaturen führen jedoch zu Verschlackungen in der Brennkammer und in den nachfolgenden Heizflächen des Dampferzeugers.

Um zu hohe adiabate Verbrennungstemperaturen bei dieser Art der Feuerung zu vermeiden, muss üblicherweise ein Vielfaches (ca. 250 %) der nach außen abgeführten Rauchgase rezirkuliert werden.

Will man bei der konventionellen Feuerungstechnologie mit trockenem Ascheabzug verbleiben, so müssen die Temperaturen verringert werden, am besten durch Beimischung von Rauchgas aus dem hinteren Teil des Dampferzeugers in die Brennkammer (Rauchgasrezirkulation), wobei die Größenordnung ca. 70 % der Gesamtrauchgasmenge beträgt.

Bisher wurden hinsichtlich der Frage der Rauchgasrezirkulation zwei Varianten ins Auge gefasst.

Eine erste Variante ist die heißgehende Rezirkulation von Rauchgas (z. B. DE 198 55 670 A1 ). Sie bringt zwar den Vorteil mit sich, dass das hohe Temperaturniveau des Rauchgases genutzt und damit thermodynamische Nachteile (Wirkungsgradverlust) vermieden werden. Allerdings sind hohe Aufwendungen nötig, um das heiße Rauchgas zu entstauben. Ebenfalls sind für das Rezirkulationsgebläse wesentlich höhere Aufwändungen erforderlich gegenüber Rezirkulationsgebläsen, die kaltes Rauchgas zu fördern haben (Materialanforderungen).

Eine zweite Variante ist die kalte Rezirkulation von Rauchgas (z. B. DE 199 22 605 A1 ). Wie bereits angesprochen, wird bei dieser Variante durch die Rückführung bereits abgekühlten Rauchgases ein geringerer Wirkungsgrad gegenüber der ersten Variante erzielt.

Vorteilhaft hierbei ist allerdings der gegenüber der ersten Variante geringere Aufwand für den Rezirkulationsweg.

Die DE 28 46 356 C2 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer Feuerung, insbesondere für Dampferzeuger mit Aufheizen der Verbrennungsluft in einem rauchgasbeheizten Luftvorwärmer, bei dem ein Teilstrom des gereinigten Rauchgases aus der Rauchgasleitung hinter dem Luftvorwärmer abgesaugt und zur Feuerung rezirkuliert wird, wobei das gereinigte rezirkulierte kalte Rauchgas in einer getrennten Sektion des Luftvorwärmers parallel zur Verbrennungsluft vorgewärmt und anschließend der Feuerung zugeführt wird.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass der Regenerativluftvorwärmer eine Leckage hat, dass heißt, dass insbesondere Luft in den Rauchgasstrom gelangt. Bei herkömmlichen Anlagen ist das zwar auch ein Nachteil (der Abgasmassenstrom und somit der Abgasverlust wird erhöht) aber es ist nicht wesentlich. Bei Anlagen mit dem Oxyfuelprozess wird aber durch solche Leckagen der Anteil von O₂ im Rauchgas erhöht. Dieses Rauchgas soll jedoch zwecks Weiterleitung mit Deponierung abgesehen vom auskondensierbaren Wasserdampf möglichst reines CO₂ sein.

Außerdem steigt dadurch der Bedarf an teuer und aufwändig herzustellendem Sauerstoff (Luftzerlegungsanlagen).

Die DE 196 02 114 beschreibt einen Regenerativ-Drehluftvorwärmer mit einem mit zu erwärmender Verbrennungsluft beaufschlagten Luftsektor, einem mit entstaubten Rauchgas beaufschlagten Rezirkulationssektor und einem mit staubhaltigen Rauchgas beaufschlagten Rauchgassektor.

Zur Verminderung von Leckagen wird das aus einem Dampferzeuger über den Rauchgassektor des Regenerativ-Drehluftvorwärmers geführte und in einem E-Filter entstaubten Rauchgas teilweise mittels eines Rauchgasrezirkulationsgebläses abgezweigt und über nunmehr zwei Rezirkulationssektoren in den Dampferzeuger rückgeführt, wobei der neu hinzukommende zweite Rezirkulationssektor zwischen dem Rauchgassektor und dem Luftsektor des Regenerativ-Drehvorwärmers angeordnet ist.

Zweck ist es, mit dieser Rezirkulation die Luftleckage im Luftvorwärmer, dass heißt das Überführen von Luft in den Rauchgasstrom zu vermeiden. Dementsprechend sind die dort durchzuführenden Rezirkulationsmengen wesentlich kleiner und haben eigentlich nur den Zweck einer „Abdichtung" des Luftvorwärmers. Diese im genannten Patent vorgeschlagene Lösung ist auf das Regenerativprinzip beschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile der heißgehenden und kalten Rezirkulation von Rauchgas bei Ausschluss deren Nachteile für den Prozess der Verbrennung von fossilen Brennstoffen nach den Oxyfuel-Prozess miteinander zu verbinden, also, sowohl den besseren Wirkungsgrad der heißgehenden Rezirkulation zumindest annähernd zu erreichen jedoch auch den Vorteil der kalten Rezirkulation mit ihrer einfacheren Entstaubung zu gewährleisten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Teilstrom oder der gesamte Strom des Rauchgases nach Austritt aus dem Dampferzeuger einem separaten Wärmetauscher zugeführt und die Wärme des Rauchgases im Wärmetauscher an einen Teilstrom des abgekühlten und entstaubten Rauchgases übertragen und der so erwärmte Teilstrom des Rauchgases dem Dampferzeuger und/oder einer Feuerung zugeführt wird.

Vorteilhaft kann es sein, dass das Rauchgas vor Zuführung zum oder nach Abführung vom Wärmetauscher einem Sauerstoffwärmetauscher aufgegeben wird, um die noch vorhandene Wärme des Rauchgases für die Vorwärmung des Oxydationsmittels Sauerstoff zu nutzen.

Dabei kann die Wärmeübertragung auch so ausgeführt werden, dass je ein Teilstrom des aus dem Dampferzeuger kommenden Rauchgases jeweils dem Sauerstoffvorwärmer und dem Wärmeübertrager zuströmt. Weiterhin ist es möglich, den Wärmetauscher und den Sauerstoffvorwärmer in einem gemeinsamen Gehäuse anzuordnen.

Der bei der Verbrennung fossiler Energieträger zur Oxidation benötigte Sauerstoff wird in konventionellen Kraftwerken als Bestandteil der Luft zugeführt. Dabei nimmt man in Kauf, dass der in Luft zu über 70 % enthaltene Stickstoff als ein quasi-inertes Gas (bis auf die Bildung geringer Anteile NO_x) im Verbrennungsprozess mitgeführt und erwärmt werden muss. Dies bedeutet auch, dass der in den Rauchgasen ebenso zu etwa 60 % enthaltene Stickstoff wesentlich zu den Rauchgasverlusten beiträgt.

Erfolgt die Verbrennung dagegen unter Zuführung von reinem Sauerstoff („Oxyfuel"), steigt aufgrund der verringerten Gasmenge die Verbrennungstemperatur an. Dem kann man durch gezielte Rückführung von abgekühltem Rauchgas entgegenwirken, welches zum größten Teil aus CO₂ besteht.

Die erfindungsgemäße Lösung verbindet die Vorteile der heißgehenden und der kalten Rezirkulation von Rauchgas, wobei deren Nachteile vermieden werden, d. h. das hohe Temperaturniveau des den Dampferzeuger verlassenden Rauchgas wird genutzt, um den rezirkulierten Teil des Rauchgases aufzuwärmen und für den Prozess im Dampfkessel zur Verfügung zu stellen, was mit einer Wirkungsgraderhöhung verbunden ist. Das rezirkulierte Rauchgas wurde andererseits auf niedrigerem Temperaturniveau entstaubt und über das Rezirkulationsgebläse rückgeführt, ohne erhöhten Anlagenaufwand für eine heiße Rezirkulation betreiben zu müssen.

Damit steht das rezirkulierte Rauchgas im Dampferzeuger zur Verfügung, um den Verbrennungsprozess mit Sauerstoff und die damit erhöhten adiabatischen Verbrennungstemperaturen beherrschbar zu gestalten.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll nachstehend die Erfindung näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen

1 – eine schematische Darstellung der kombinierten heißen und kalten Rauchgasrezirkulation

2 – eine schematische Darstellung der kombinierten heißen und kalten Rauchgasrezirkulation mit dem Wärmetauscher nachgeschalteten Sauerstoffvorwärmer

3 – eine schematische Darstellung der kombinierten heißen und kalten Rauchgasrezirkulation mit dem Wärmetauscher vorgeschalteten Sauerstoffvorwärmer

4 – eine schematische Darstellung der kombinierten heißen und kalten Rauchgasrezirkulation mit paralleler Beaufschlagung des Wärmetauschers und des Sauerstoffvorwärmers mit Rauchgas
Für ein Dampfkraftwerk auf Braunkohlenbasis mit einer Leistung von ca. 900 MW werden für die Verbrennung im Dampferzeuger 1 anstelle von Luft der aus der Luft abgeschiedene Sauerstoff in einer Reinheit von ca. 99 % zur Verfügung gestellt. Dies geschieht z. B. mit Hilfe einer kryogenen Luftzerlegungsanlage. Diese kryogene Luftzerlegungsanlage spaltet den Luftstrom, welcher aus der Umgebung angesaugt wird, in einen Stickstoffstrom und einen Sauerstoffstrom von hoher Reinheit auf.
Das nachfolgende Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die eine parallele Beaufschlagung des Wärmetauschers 5 und des Sauerstoffvorwärmers 14 mit Rauchgas gemäß 4.
Der Sauerstoffstrom 2 und die Braunkohle 3 werden dem Dampfkessel 1 zur Verbrennung aufgegeben. Der Dampferzeuger enthält eine Reihe von Heizflächen, welche die erzeugte Wärme aufnehmen und auf das in ihnen strömende Medium (Wasser und Dampf) übertragen. Der Dampf wird üblicherweise einer Turbine zugeführt, welche mit einem Generator gekoppelt ist.
Das im Dampferzeuger entstehende Rauchgas wird mit einer Temperatur von ca. 340 °C über eine Rohrleitung 4 einem Wärmeübertrager 5 und einem Sauerstoffvorwärmer 14 direkt zugeführt, in dem es einen Teil seine Wärme abgibt. Nach Zusammenführung der Rauchgasströme aus dem Wärmetauscher 5 und dem Sauerstoffvorwärmer 14 sowie ggf. weiterer Abkühlung, beispielsweise in einem rauchgasbeheizten Speisewasservorwärmer, gelangt das abgekühlte Rauchgas über eine Rohrleitung 6 in einen E-Filter 7. Im E-Filter 7 wird das abgekühlte Rauchgas entstaubt. Das entstaubte und abgekühlte Rauchgas wird nachfolgend über eine Rohrleitung 8 einer Rauchgasentschwefelungsanlage 9 zugeführt. Vor der Rauchgasentschwefelungsanlage 9 zweigt ein Teilstrom von ca. 75 % des abgekühlten und entstaubten Rauchgases über die Rohrleitung 10 ab, um einem Rauchgasrezirkulationsgebläse 11 zugeführt zu werden.
Das Rauchgasrezirkulationsgebläse 11 fördert den Teilstrom des abgekühlten und entstaubten Rauchgases über die Rohrleitung 12 zum Wärmetauscher 5, in welchem das abgekühlte und entstaubte Rauchgas mit einer Temperatur von ca. 170 °C eintritt, Wärme vom Rauchgas aus dem Dampferzeuger 1 aufnimmt und auf eine Temperatur von ca. 320 °C erwärmt wird. Das so erwärmte und entstaubte Rauchgas wird nunmehr in den Dampferzeuger 1 über die Rohrleitung 13 an entsprechender Stelle wieder eingespeist. Das Rauchgas kann auch der Feuerung, z. B. den Kohlestaubmühlen des Dampferzeugers, aufgegeben werden.
Neben der beschriebenen Schaltung nach 4 sind weitere Schaltungen mit Wärmeübertrager 5 denkbar. Dies sind eine Anordnung des Sauerstoffvorwärmers 14 im Rauchgasstrom vor bzw. nach Wärmeübertrager 5 (3, 2) sowie eine Schaltung ganz ohne Sauerstoffvorwärmer 14 (1).
Weiterhin können der Wärmetauscher 5 und der Sauerstoffvorwärmer 14 zur effizienten Gestaltung des Wärmetauschers 5 in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein.

1: Dampferzeuger
2: Sauerstoffstrom
3: Braunkohle
4: Rohrleitung
5: Wärmeübertrager
6: Rohrleitung
7: E-Filter
8: Rohrleitung
9: Rauchgasentschwefelungsanlage
10: Rohrleitung
11: Rauchgasrezirkulationsgebläse
12: Rohrleitung
13: Rohrleitung
14: Sauerstoffvorwärmer

Claims

Verfahren zur Verbrennung von fossilen Brennstoffen in einem Dampferzeuger (1) nach dem Oxyfuel-Prozess, wobei abgekühltes Rauchgas entstaubt wird, gekennzeichnet dadurch, dass ein Teilstrom oder der gesamte Strom des Rauchgases nach Austritt aus dem Dampferzeuger (1) einem separaten Wärmetauscher (5) zugeführt und die Wärme des Rauchgases im Wärmetauscher (5) an einen Teilstrom des abgekühlten und entstaubten Rauchgases übertragen und der so erwärmte Teilstrom des Rauchgases dem Dampferzeuger (1) und/oder einer Feuerung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Rauchgas vor Zuführung zum Wärmetauscher (5) einem Sauerstoffvorwärmer (14) aufgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Rauchgas nach Abführung vom Wärmetauscher (5) einem Sauerstoffvorwärmer (14) aufgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Wärmetauscher (5) und der Sauerstoffvorwärmer (14) mit je einem Teilstrom des Rauchgases beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass der Wärmetauscher (5) und der Sauerstoffvorwärmer (14) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden.