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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung von fossilen Brennstoffen
in einem Dampferzeuger nach dem Oxyfuel-Prozess.
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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.
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Primär können jedoch
bereits Maßnahmen ergriffen
werden, um die Bildung der entsprechenden Schadstoffe beim Verbrennungsprozess
weitgehend zu minimieren.
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In
den letzten Jahren ist der zivilisationsbedingte Ausstoß von CO2 als ein mutmaßlicher Hauptverursacher des
klimaverändernden
Treibhauseffekts immer stärker
in die öffentliche
Kritik geraten.
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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.
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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.
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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.
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Bei
einem Wärmekraftwerk
nach dem Oxyfuel-Prozess erfolgt die Verbrennung nicht mit Hilfe
von Verbrennungsluft, sondern durch den vorher aus der Luft abgeschiedenen
Sauerstoffstrom. Da nur mit Sauerstoff verbrannt wird, tritt auch
in Summe weniger Rauchgas auf.
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Die
Wärme dieses
Rauchgases auf der Seite der niederen Temperaturen, d. h. nach Passieren
der Dampferzeugerdruckteilheizflächen,
kann prinzipiell dadurch ausgenutzt werden, dass man das Speisewasser
mit dem Rauchgas vorwärmt
(Rauchgas beheizter Speisewasservorwärmer). Diese Schaltung hat
jedoch gewisse thermodynamische Nachteile.
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Aufgrund
der Nutzung der Wärme
des Rauchgases zur Speisewasservorwärmung muss zwar weniger Anzapfdampf
aus der Turbine für
die Vorwärmung
des Speisewassers aufgewendet werden und dieser eingesparte Anzapfdampf
steht für eine
Arbeitsleistung in der Turbine und damit einem höheren Energiegewinn zur Verfügung. Dies
ist aber insofern thermodynamisch nicht optimal, als es sich beim
Anzapfdampf um Dampf niederen Druckes handelt.
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Ein
weiteres Problem beim Oxyfuel-Prozess sind die hohen adiabaten Verbrennungstemperaturen.
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So
ist aus der
DE 197 03 197 ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbrennung von Holz und/oder
Biomassen in einem Reaktor mit einer zirkulierenden Wirbelschicht
mit reinem Sauerstoff bekannt. Auch hier wird das Problem der hohen
Temperaturen im Feuerraum erwähnt,
welche trotz verwendeter Feuerfestmaterialien bei längeren Nutzungszeiträumen häufige Wartungs-
und Reparaturarbeiten nach sich ziehen. Weiterhin stellen sich Probleme mit
Verschmutzung und Verschlackung von Heizflächen ein.
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Es
ist auch bekannt, dass diesem Umstand entgegengewirkt werden kann.
Dazu wird gekühltes Rauchgas
der zirkulierenden Wirbelschicht wieder zugeführt, um so eine Verringerung
der Prozesstemperatur zu erreichen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den thermodynamischen Nachteil
der unzureichenden Wärmeausnutzung
des Rauchgases bei Vorwärmung
des Speisewassers zu vermeiden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
der zur Verbrennung der fossilen Brennstoffe eingesetzte Sauerstoff
durch Abkühlen
des Rauchgases vorgewärmt
wird.
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Vorteilhafterweise
wird dazu die Menge des rezirkulierenden Rauchgases erhöht, um durch
den zusätzlichen
Wärmeeintrag
in den Dampferzeuger die Temperaturen weiterhin beherrschen zu können. Als
Wärmetauscher
für die
Sauerstoffvorwärmung sollten
gasdichte Wärmetauscher
(z. B. Platten- oder Röhrenwärmetauscher)
eingesetzt werden.
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Kühlt man
das Rauchgas anstatt mit einem mit speisewasserbeheizten Vorwärmer dadurch
ab, dass man den Sauerstoffstrom vorwärmt, so erzielt man durch die
somit höhere
in den Kessel eingebrachte Wärme
einen höheren
Wärmestrom
im Dampferzeuger und kann somit einen erhöhten Frischdampfstrom erzeugen,
welcher im Vergleich zu den oben genannten Entnahmedampfströmen höhere Dampfparameter
und somit ein höheres
Enthalpiegefälle
in der Turbine hat. Somit erzielt man mit solch einem Vorwärmer prinzipiell
einen höheren
thermodynamischen Wirkungsgrad des Prozesses.
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Wie
weiter oben dargestellt, entstehen beim Oxyfuel-Prozess ohne sonstige
Eingriffe sehr hohe Temperaturen und man muss entsprechend viel Rauchgas
rezirkulieren, um die Temperatur wieder auf verträgliche Werte
(beispielsweise hinsichtlich Verschmutzung und Verschlackung der
Dampferzeugerheizflächen)
zu kommen. Eine zusätzliche
Vorwärmung
des Sauerstoffs, wie hier erfindungsgemäß vorgeschlagen, erhöht die Verbrennungstemperatur noch
mehr und erscheint zunächst
widersinnig.
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Wie
detaillierte Untersuchungen zeigen, führt die O2-Vorwärmung zu
einer Verbesserung des Kraftwerkswirkungsgrades von ca. 0,5 %, auch
wenn dadurch zunächst
temperatursenkende Maßnahmen (erhöhte Rezirkulation)
erforderlich wurden.
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Es
ist aber möglich,
die mit zu einer zusätzlichen
O2-Vorwärmung
verbundene Erhöhung
der Rauchgastemperatur durch relativ geringe Anhebung der obengenannten
Rezirkulation des Rauchgases wieder auszugleichen, so dass insgesamt
gesehen kein besonderer Nachteil entsteht und die Vorteile der O2-Vorwärmung
jedenfalls überwiegen
(eine Erhöhung
der Rezirkulation bedeutet ja nur eine geringfügige Erhöhung des Eigenbedarfs, ist
aber vom thermodynamischen Kreisprozess her an sich kein wesentlicher
Nachteil).
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Die
O2-Vorwärmung
wird so realisiert, dass der aus der Luftzerlegungsanlage kommende
Sauerstoff durch das vorhandene Rauchgas vorgewärmt wird.
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Die
Schaltung kann auch mehrstufig erfolgen, um zuerst das O2 in einer Stufe mit niedriger Rauchgastemperatur
und dann in einer Stufe mit höherer
Rauchgastemperatur aufzuwärmen
und somit zu verhindern, dass auf der kalten Seite des O2-Vorwärmers
zu hohe Temperaturdifferenzen auftreten, was einen Exergieverlust
bedeuten würde.
Der O2-Vorwärmer kann als Regenerativvorwärmer ausgeführt sein.
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Nachdem
es hier wahrscheinlich auf die Notwendigkeit möglichst geringer O2-Leckagen (von der O2-Seite in das Rauchgas) ankommt, sind entweder die
Leckagen gering zu halten oder die Druckverhältnisse so zu gestalten, dass
die Leckage in Richtung O2 läuft, d.
h. Leckage von CO2 von der Rauchgasseite
in die O2-Seite oder aber dass ein entsprechend rauchgasdichter
O2-Vorwärmer
(z. B. ein Röhrenvorwärmer oder
Plattenvorwärmer)
verwendet wird.
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Eine
weitere (zusätzliche)
Möglichkeit
ist, den Sauerstoff in einer ersten Stufe oder in einer der ersten
Stufen der Sauerstoffvorwärmung
durch Kühlung
der Kompressoren der Luftzerlegungsanlage oder der CO2-Kompression
bzw. mit Anzapfdampf aus der Turbine vorzuwärmen.
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An
einem Ausführungsbeispiel
soll nachfolgend die Erfindung näher
erläutert
werden. Dabei zeigt die Figur eine schematische Darstellung eines vereinfachten
Wärmeschaltbildes
eines Dampfkraftwerkes nach dem Oxyfuel-Prozess.
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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 7 in einer Reinheit von 99,6 % 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.
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Das
in der 1 gezeigte vereinfachte Wärmeschaltbild eines Dampfkraftwerkes
nach dem Oxyfuel-Prozess weist einen Dampferzeuger 1 auf, der
frischdampfseitig mit einer Turbine 10 verbunden ist, in
der sich der Frischdampf entspannt und die geleistete Arbeit an
einen nicht in der Zeichnung dargestellten Generator abgibt. Die
Frischdampftemperatur beträgt
ca. 600 °C
bei 290 bar. Auf eine Darstellung einer Zwischenüberhitzung wurde aus Vereinfachungsgründen verzichtet.
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Im
Druck variable Anzapfungen speisen jeweils eine Hochdruckvorwärmsäule 5 und
eine Niederdruckvorwärmsäule 4.
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Der
die Turbine verlassende Abdampf wird im Kondensator 2 kondensiert
und das Kondensat gelangt über
den rauchgasbeheizten Kondensatvorwärmer 3, die Niederdruckvorwärmersäule 4 und
die Hochdruckvorwärmersäule 5 wieder
in den Dampferzeuger 1 zur Frischdampferzeugung. Der Kondensator
arbeitet bei 40 mbar und gibt Wärme
an einen Kühlturm
ab (in der Figur nicht dargestellt).
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Der
Kondensatvorwärmer 3 senkt
die Temperatur des einer Rauchgasentschwefelungsanlage zuströmende Rauchgases 8 auf
ca. 80 °C
ab.
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Dem
Dampferzeuger 1 wird zur Verbrennung Braunkohle 6 sowie
als Oxidationsmittel Sauerstoff 7 aus der Luftzerlegungsanlage
zugeführt.
Das entstehende Rauchgas 8 wird zu einem Teil rezirkuliert
und damit dem Dampferzeuger 1 über ein Rezirkulationsgebläse 11 wieder
aufgegeben, zum anderen Teil einem Sauerstoffvorwärmer 9 zugeführt.
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Die
Rezirkulationsrate des Rauchgases 8 beträgt ca. 73
%, wobei die Rezirkulation selbst heißgehend oder kalt erfolgen
kann. Das Rauchgas verlässt
den Dampferzeuger 1 mit einer Temperatur von ca. 340 °C.
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Weiterhin
ist es auch möglich,
die Vorteile der kalten und heißgehenden
Rezirkulation von Rauchgas miteinander zu verbinden und einen Rezirkulationsvorwärmer einzusetzen
(Rauchgas/Rauchgas).
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Der
Sauerstoffvorwärmer 9 überträgt Wärme mindestens
eines Teilstromes des Rauchgases 8 auf den Sauerstoff 7.
Als Sauerstoffvorwärmer 9 kann
ein gasdichter Platten- oder gasdichter Röhrenvorwärmer eingesetzt werden.
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Bei
Einhaltung einer minimalen Grädigkeit von
40 K im Sauerstoffvorwärmer 9 ergibt
sich eine Temperatur des Sauerstoffs 7 nach Sauerstoffvorwärmer 9 von
ca. 300 °C.
Der so erwärmte
Sauerstoff gelangt nun zur Verbrennung in den Dampferzeuger 1.
Zur Verhinderung von zu hohen adiabaten Verbrennungstemperaturen
durch den zusätzlichen Wärmeeintrag
mit dem vorgewärmten
Sauerstoff 7 erfolgt eine Erhöhung der Rezirkulationsrate
des Rauchgases 8 um größenordnungsmäßig 0,5
%.
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Nach
Durchlaufen des Rauchgases 8 durch den Sauerstoffvorwärmer 9 weist
dieses noch eine Temperatur von ca. 195 °C auf. Dies genügt, um das Kondensat
im Kondensatvorwärmer 3 auf
ca. 45 °C aufzuwärmen. Die
Sauerstoffvorwärmung
kann in mehreren Stufen erfolgen. Zusätzlich zur Vorwärmung des
Sauerstoffs 7 im Sauerstoffvorwärmer 9 ist es möglich, dass
der Sauerstoff 7 in einer ersten Stufe oder einer der ersten
Stufen der Sauerstoffvorwärmung
durch Kühlung
von Kompressoren einer Luftzerlegungsanlage oder einer Anlage zur
CO2-Kompression und/oder mit Anzapfdampf
aus einer Turbine vorgewärmt
wird.
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Der
Gesamtwirkungsgrad der Energieerzeugungsanlage nach dem Oxyfuel-Prozess
steigt mit der erfindungsgemäßen Lösung um
ca. 0,5 %.
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Ein
entscheidender Grund hierfür
ist die Verringerung des Anteils der Brennstoffwärmeleistung an der primären Kesselwärmeleistung
durch die Sauerstoffvorwärmung
(Primäre
Kesselwärmeleistung
= Brennstoffwärmeleistung
+ Wärmegehalt
der Brennergase).
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Diese
Anteilsverschiebung ist auch der Grund dafür, dass für die Variante mit Sauerstoffvorwärmung die
primäre
Kesselwärmeleistung
zwar höher,
die Brennstoffwärmeleistung
dagegen geringer ist als bei einer Schaltung ohne Sauerstoffvorwärmung. Exergetisch
ausgedrückt
kann die zur Verfügung
stehende Rauchgasenergie am gewinnbringendsten auf dem hohen Temperaturniveau
der Verbrennung eingesetzt werden, wogegen bei Nutzung zur Speisewasservorwärmung lediglich
exergetisch geringwertiger Anzapfdampf eingespart wird.
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Auch
die geänderte
Konzeption des Wasser-Dampf-Kreislaufs bei Nutzung des Sauerstoffvorwärmers hat
günstige
Auswirkungen auf den Nettowirkungsgrad der Anlage. Ein wesentliches
Merkmal der Schaltung mit Sauerstoffvorwärmer ist der um ca. 20 MWth geringere Wärmeverlust über den Kühlturm.
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Dies
wird – trotz
der höheren
Frischdampfproduktion – erklärlich durch
den wesentlich verringerten Abdampfmassenstrom aus der Niederdruckturbine
zum Kondensator. Die Differenz zwischen Frischdampf- und Abdampfstrom
resultiert aus dem gestiegenen Bedarf an Anzapfdampf zur Speisewasservorwärmung, da
der rauchgasbeheizte Kondensatvorwärmer durch Hinzuschalten des
Sauerstoffvorwärmers
eine geringere Aufwärmspanne
erzielt.
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Aus
den Darlegungen kann allgemein geschlossen werden, dass eine Sauerstoffvorwärmung beim
Oxyfuel-Prozess zu einer deutlichen Wirkungsgradsteigerung führt. Ein
wichtiger Punkt ist zunächst,
dass sich eine Erhöhung
des Anteils der Brenngase an der primären Kesselwärmeleistung günstig auf
den Brennstoffverbrauch und damit auf dem Anlagenwirkungsgrad auswirkt,
d. h. Sauerstoffvorwärmung
und möglichst
hohe Temperaturen der rezirkulierten Rauchgase sind anzustreben.
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Des
weiteren ist es bei Einsatz von dampfbetriebenen Speisewasservorwärmern wichtig,
möglichst
viel Anzapfdampf erst in den letzten Stufen der Niederdruckturbine
abzuziehen, da dieser dann einerseits in den Hochdruckstufen noch
ein Höchstmaß an mechanischer
Leistung erzeugen kann, auf der anderen Seite aber auch die Kondensationswärme des
Dampfes nicht im Kondensator abgegeben, sondern sinnvoll zur Spei sewasservorwärmung genutzt
wird, d. h. möglichst
geringe Kondensattemperatur bei Eintritt in Vorwärmsäule.
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Beide
Zielstellungen werden durch Nutzung eines Sauerstoffvorwärmers in
einem Oxyfuel-Prozess mit umfangreicher Abwärmenutzung (starke Rauchgasabkühlung) noch
besser erfüllt
und der Wirkungsgrad kann dadurch um bis zu 0,5 Prozentpunkte erhöht werden.
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- 1
- Dampferzeuger
- 2
- Kondensator
- 3
- Kondensatvorwärmer
- 4
- Niederdruckvorwärmersäule
- 5
- Hochdruckvorwärmersäule
- 6
- Braunkohle
- 7
- Sauerstoff
- 8
- Rauchgas
- 9
- Sauerstoffvorwärmer
- 10
- Turbine
- 11
- Rezirkulationsgebläse