DE19627189A1 - Kohle-(Öl-)Erdgas-Kombi-/Verbundkraftwerk mit Erdgasreformierung mit verbessertem Wirkungsgrad - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kohle-(Öl-)- Erdgas-Verbundkraftwerk, wie es im Oberbegriff des Patentan­ spruches 1 angegeben ist.

Aus Mäule, R. et al, "V.G.B. Kraftwerkstechnik" 74, Heft 3, (1994) S. 199-207, insbesondere Bild 3, sind drei Aufbau- /Betriebsprinzipien für ein Gas-Kohlekraftwerk beschrieben, bei dem ein Gasturbinenblock und ein Kohle-Dampfturbinenblock miteinander kombiniert sind. Dieses Kombinationsprinzip dient dazu, jeweils einen weitgehend optimierten Wirkungsgrad des gesamten Kombi-Verbundkraftwerkes für unterschiedliche Stromabnahme-Auslastung zu erreichen. Wie in der Druckschrift beschrieben ist, wird jeweils das Verhältnis der Gasturbinen­ leistung und der Dampfturbinenleistung anteilsmäßig gegenein­ ander verschoben, um jeweils möglichst wirtschaftlichen Be­ trieb einstellen zu können. Als weiterer Vorteil bei einem solchen Kraftwerk bietet sich die Möglichkeit an, die Abwärme der Gasturbine im Kohleblock im sogenannten "Kombi-Prozeß" als Verbrennungsluft der Kohlefeuerung zu nutzen bzw. im "Verbund-Prozeß" die Abwärme der Gasturbine mittels eines Ab­ hitzedampferzeugers zur Dampferzeugung mit Speisewasservor­ wärmung zu verwenden.

Die Verwendung von Erdgas zur Energieerzeugung, und zwar in Brenngas-Turbinen oder in Kesselfeuerungen, ist schon lang geübte Praxis. Weiterhin ist es bekannt, das überwiegend aus Methan bestehende Erdgas in einem endothermen, heterogen-ka­ talytischen Prozeß unter Zugabe von Wasser-(Dampf) und/oder Kohlendioxid zu "veredeln", da das entstehende Reaktionsgas entsprechend dem endothermen Ablauf des Prozesses spezifisch höhere Energie hat. Dieser Prozeß ist allgemein als Erdgasre­ formierung bekannt. Einzelheiten hierzu sind aus "Journal of Engineering for Gas Turbines and Power", Band 116 (April 1994), S. 277-284 und "Chemie Ingenieur Technik", Band 67 (1995), S. 1275-1287 zu entnehmen.

In "Journal of Engineering . . ." ist dargelegt, welche Wir­ kungsgrad-Steigerung bei verschiedenen Gasturbinen-Kraftwer­ ken durch Verwendung von reformiertem Erdgas (Reformgas) zu erzielen ist, wenn man die für das Ablaufen der endothermen Reformgas-Reaktion zuzuführende Wärmeenergie vom heißen Tur­ binenabgas abzweigt, das ansonsten in nachgeschalteten Damp­ ferzeugern für eine nachgeschaltete Dampfturbine genutzt wird.

Aus der Druckschrift "Chemie Ingenieur Technik . . ." ist im Zu­ sammenhang mit der Verwendung von Reform-Synthesegas, herge­ stellt aus Erdgas, ein anderes Prinzip bekannt, nämlich die für den endothermen Katalyseprozeß notwendige Energie aus So­ larenergie zu gewinnen und zu nutzen.

Ein zusätzlicher Vorteil der Verwendung solchen Reform- bzw. Synthesegases besteht darin, daß die Gasturbine mit verrin­ gerter Stickoxiderzeugung zu betreiben ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kraftwerk­ sprinzip anzugeben, mit dem (noch weiter) verbesserter er­ reichbarer Wirkungsgrad der Primär-Energieausnutzung zu er­ zielen ist, und zwar bei einem Erdgas-Kohle-(Öl)-Verbund-/Kombikraftwerk, in dem das Erdgas zumindest zu entsprechend hohem Anteil desselben als Reformgas der Gasturbine zugeführt wird.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Das Lösungsprinzip der Erfindung ist, mit wenigen Worten le­ diglich umrissen, die zur (katalytischen) Erzeugung des Re­ form- bzw. Synthesegases für-den endothermen Ablauf notwen­ dige Energie dem Kohle-(Öl)-Feuer zu entnehmen, wobei die Entnahme aus einer Kohlefeuerung besondere Bedeutung hat.

Die Methanumsetzung im Erdgas vergrößert sich in Grenzen mit steigender Temperatur und sinkt mit ansteigendem Druck. Für die vorliegende Erfindung erreicht man besonders günstige Energieausnutzung bei Ausführung des Reformierungsprozesses bei 800°C bis 900°C. Der Arbeitsdruck in der Einrichtung zur Durchführung des Reformierungsprozesses ist durch den Druck des von der Gasturbine abgegebenen Gases vorgegeben.

Falls erforderlich, kann das erzeugte Reformgas zur Speisung der Gasturbine, z. B. in einem zusätzlichen Wärmetauscher, ab­ gekühlt werden, wobei in diesem Wärmetauscher das für die ka­ talytische Reaktion notwendige Erdgas/Dampf-Gemisch bzw. Erd­ gas/Co₂-Gemisch vor Eintritt in die Reformer-Stufe vorgewärmt werden kann.

Der für die Reformierung benötigte Dampf kann entweder im z. B. kohlebefeuerten Dampferzeuger produziert werden oder durch Anzapfung der Dampfturbine bzw. Entnahme vor Zwischen­ überhitzung gewonnen werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es von besonderem Vorteil, die Reformer-Stufe in der Kohle-(Öl-)Feuerung, d. h. im Feuerungskessel zu integrieren, womit problemlos die gün­ stigen Temperaturwerte von 800 bis 900°C zu erreichen sind.

Weitere Einzelheiten zur Erfindung gehen aus der noch nach­ folgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele hervor.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform.

Die Fig. 1 zeigt ein Verbundkraftwerk 1 mit einem Gasturbi­ nenblock 2 und einem beispielsweise mit Kohle befeuerten Dampferzeugerblock 3. Mit G sind die von der Gasturbine 21 und der Dampfturbine 31 angetriebenen Stromgeneratoren be­ zeichnet. Mit 22 ist ein von der Turbine 21 ebenfalls ange­ triebener Verdichter für die Verbrennungsluft und mit 23 der der Gasturbine 21 zugehörige Brenner bezeichnet. Der Gastur­ bine ist der bekannte Abhitze-Dampferzeuger 25 nachgeschal­ tet, der zusätzlich Dampf für die Turbine 31 liefert.

Der durch Verbrennung von beispielsweise Kohle zusammen mit zugeführter Luft beheizte Feuerraum 32 enthält wie üblich den Dampferzeuger 33, dessen Dampf die Turbine 31 antreibt. Mit 34 ist ein Kondensator und mit 35 ist eine Speisewasserpumpe bezeichnet, die das im Kondensator kondensierte Wasser in den Dampferzeuger 33 zurückführt.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine mit 36/136 bezeichnete Einheit im Feuerraum 32 angeordnet, die zum einen als Wärmetauscher 136 und zum anderen als Reformer 36 wirksam ist. In diese Einheit werden über die Leitung 37 Erdgas und über die Leitung 38 vorteilhafterweise bereits vorgewärmtes, im Wärmetauscher sofort in Wasserdampf übergehendes Wasser zugeführt. Entsprechend der Wärmetauscherfunktion wird dieses Erdgas-Wasserdampfgemisch auf die erforderliche Reaktionstem­ peratur erhitzt und entsprechend gleichzeitig der Funktion des Reformers gemäß katalytisch Reform-/Synthesegas erzeugt.

Dieses wird über die Leitung 39 dem Brenner 23 der Gasturbine 21 zugeführt.

Der Reformierungsprozeß ist bekannt und im Erdgas im wesent­ lichen enthaltenes Methan und dort zusätzlich enthaltene hö­ herwertige Kohlenwasserstoff werden mit dem zugeführten H₂O zu Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas umgewandelt.

Anstelle der vorteilhaften Wärmetauscher-Reformereinheit des dargestellten Beispiels können deren Anteile auch lediglich wärmegekoppelt, mit dem Wärmetauscher 136 jedoch im Dampfer­ zeugerblock 3 angeordnet, ausgeführt sein.

Mit 40 ist auf den Rauchgasabzug des Dampferzeugerblocks und mit 41 ist auf übliche Rauchgas-Reinigung hingewiesen.

Die Fig. 2 zeigt ein sogenanntes Kombi-Kraftwerk, bei dem das Abgas der Gasturbine 21 über die Leitung 50 der Feuerung des Dampferzeugers 3 als Verbrennungsluft und zur Restwärme­ auswertung zugeführt wird. In gleicher wie zur Fig. 1 mit denselben Bezugszeichen beschriebener und dargestellter An­ ordnung und Ausführung bezüglich des Wärmetauschers und des Reformers bzw. der Wärmetauscher-Reformereinheit, läßt sich die Erfindung auch bei einem solchen Kombi-Kraftwerk anwen­ den.

Von besonderem Vorteil ist ein erfindungsgemäß ausgerüstetes Kraftwerk dort, wo einerseits in diesem Kraftwerk auch eine Gasturbine zu betreiben ist und wo Erdgas jedoch, aus welchen Gründen auch immer, sparsam und/oder erst in zweiter Linie als Energiequelle eingesetzt werden soll. Das erfindungsgemä­ ße Prinzip, dem gemäß die für den endothermen Reformierprozeß notwendige Wärmeenergie dem Kohle- (oder auch Öl-)Feuer zu entnehmen ist, steigert den Brennwert des in der Gasturbine verbrannten Gases um bis zu 25% über den üblichen Brennwert des dem Reformer zugeführten Erdgases.

Ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Kraftwerk mit Dampferzeu­ ger- und mit Gasturbinenblock kann ohne weiteres so betrieben werden, wie dies dem Stand der Technik entsprechend für ein derartiges Verbund-/Kombikraftwerk der Fall ist. Das erfin­ dungsgemäße Kraftwerk ist in keiner Weise in seiner Variabi­ lität des Betriebs, z. B. wahlweise veränderte Lastverteilung auf den Dampferzeuger- und auf den Gasturbinenblock vorzuneh­ men, und/oder hinsichtlich rascher Bereitstellung momentaner Spitzenleistung (mit der Gasturbine) eingeschränkt.

Claims (4)

1. Verbund-/Kombi-Kraftwerk mit einem Kohle-/Öl-befeuerten Dampferzeuger-Block (3) für eine Dampfturbine (31) und mit einem mit Brenngas (23) zu speisenden Gasturbinen-Block (2), gekennzeichnet durch
eine dem Kraftwerk (1) integrierte Erdgas-Reformieranlage (36) zur aus Erdgas erfolgenden Erzeugung von Reform-/Syn­ these-Gas als Brenngas (23) für die Gasturbine (2) und durch einen mit dem Dampferzeugerblock (3) gekoppelten Wärmetau­ scher (136) zur Erhitzung der Reformieranlage (36) für den Ablauf des endothermen katalytischen Prozesses der Erdgasre­ formierung,
wobei der Wärmetauscher (136) im Feuerkessel (32) des Damp­ ferzeuger-Blocks (3) angeordnet ist.

2. Verbund-/Kombi-Kraftwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Reformieranlage (36) und der Wärmetauscher (136) als eine integrale Baueinheit (36/136) ausgeführt sind (Fig. 1, 2).

3. Verbund-/Kombi-Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch , daß der Wärmetauscher (136) die Reformieranlage (36) mit Wär­ metauscher (136) so angeordnet und ausgebildet ist, daß eine Betriebs-Erhitzung der Reformieranlage (36) auf 800 bis 900°C erreicht ist.

4. Verbund-/Kombi-Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch daß die Reformiereinheit (36) auf einen Betriebsdruck von mindestens 20 bar ausgelegt ist.