DE202004017725U1 - Power and heat generation plant fueled from biomass digestion, includes gas conditioning equipment, combustor and gas-air heat exchanger with air- and steam turbine generator sets - Google Patents

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Abstract

A gas cleaning cyclone, combustion gas cooler and filter system follow a biomass gasifier in succession. They are followed in turn, by an external combustion chamber fired by the biogas, and a surface heat exchanger. Its secondary side is connected to a hot air turbine. The outlet air from this, is connected to a waste heat steam generator feeding a steam turbine. A line takes air from the hot air turbine to the external combustion chamber. A further line from this turbine, takes air to the flue gas ductwork following the high temperature heat exchanger. The flue gas line from this heat exchanger, is connected to the external combustion chamber. A bypass line connects the hot air line following the surface heat exchanger, with the outlet air line between the hot air turbine and the flue gas line. It includes a cold air connection. A cold air connection is provided for the air supply line to the surface heat exchanger. The waste heat steam generator is connected directly to the extraction-condensation turbine. Its steam extraction line leads to the heat exchanger. A steam state converter is placed in parallel with the extraction-condensation turbine, and is connected to the heat exchanger.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindungfield of use the invention

Die Anlage und Einrichtung der Kraft-Wärme-Kopplung mit Biomassegas kann in thermischen Energiewandlungsanlagen angewendet werden, in denen Biomasse als Primärenergieträger zum Einsatz kommt und die Nutzenergien Wärme und Elektroenergie gleichzeitig als Prozessgrößen aus dem thermodynamischen Kreisprozess ausgekoppelt und bedarfsstrukturgerecht den Verbrauchern bereitgestellt werden sollen. Dieses Prinzip bildet die Basis für Heizkraftwerke zentraler und dezentraler Versorgungseinrichtungen im kommunalen, industriellen sowie land- und forstwirtschaftlichen Bereichen.The Installation and installation of combined heat and power with biomass gas can be used in thermal energy conversion plants, in biomass as a primary energy source for Use comes and the useful energies of heat and electricity simultaneously as process variables coupled to the thermodynamic cycle and appropriate structure requirements to be provided to consumers. This principle forms the basis for Combined heat and power plants of central and decentralized supply facilities in municipal, industrial as well as agricultural and forestry Areas.

Stand der TechnikState of technology

Energiewandlungsanlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung sind den getrennten Anlagen zur Bereitstellung von Wärme im reinen Heizwerk und Elektroenergie im reinen Kondensationskraftwerk dadurch überlegen, als die Auskopplung der Wärme mit hoher Temperatur und so hohem Exergiestrom die zwangsläufig verbundene Einbuße an elektrischer Leistung nicht nur kompensiert, sondern übersteigt. Mit konventionellen Brennstoffen betragen die erzielbaren Wirkungsgrade

Figure 00010001
Mit der technischen Ausführung der Kraft-Wärme-Kopplung als Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerk ist die höchste Stufe und Güte der Energiewandlung erreichbar, da die Wärmezufuhr in den Prozess bei höchster Temperatur durch die Gasturbine und die Wärmeabfuhr aus dem Prozess bei niedriger Temperatur durch die Dampfturbine erfolgt.Energy conversion plants with combined heat and power are the separate systems for the provision of heat in pure heating and electric power in the pure condensation power superior because the extraction of heat with high temperature and high Exergiestrom not only compensates for the inevitably associated loss of electrical power, but exceeds. With conventional fuels, the achievable efficiencies
Figure 00010001
With the technical design of combined heat and power as a combined cycle power plant, the highest level and quality of energy conversion can be achieved because the heat input into the process at the highest temperature by the gas turbine and the heat removal from the process at low temperature Steam turbine takes place.

Damit betragen die erreichbaren Wirkungsgrade mit konventionellen Brennstoffen (Heizöl, Erdgas)

Figure 00020001
Einen weiteren Vorteil des Gas- und Dampfturbinen-Prozesses stellt die Möglichkeit dar, mit einer Entnahme-Kondensations-Dampfturbine die Gesamtanlage unabhängig von Wärmebedarfsschwankungen mit Auslegungsleistung und somit ohne teillastbedingte Wirkungsgradminderung betreiben zu können.Thus, the achievable efficiencies are with conventional fuels (heating oil, natural gas)
Figure 00020001
Another advantage of the gas and steam turbine process is the ability to operate with a sampling-condensation steam turbine, the entire system regardless of heat demand fluctuations with design performance and thus without teillastbedingte efficiency reduction.

Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerke sind durch die thermische und hydraulische Belastung der Gasturbinenbrennkammer in ihrer Leistung nach oben hin konstruktiv begrenzt. Eine untere Grenze resultiert aus der noch ausführbaren Beschaufelung der Dampfturbine sowie aus der durch relativ hohe Investkosten stark beeinflussten Wirtschaftlichkeit.Gas- and steam turbine power plants are characterized by the thermal and hydraulic Load of the gas turbine combustor in their performance upwards limited constructive. A lower limit results from the still executable Blading of the steam turbine as well as from the through relatively high Investment costs heavily influenced economic efficiency.

Voraussetzung für die energetische Nutzung von Biomasse zum Antrieb von Gasturbinen und Gasmotoren ist die Erzeugung eines Brenngases. Für die Vergasung von Biomasse, vorrangig Holz, existieren verschiedene Verfahren, von denen u.a. die Fettbettvergasung im Gleich- oder Gegenstrom und die Wirbelschichtvergasung (jeweils atmosphärisch oder druckaufgeladen) für den Antrieb einer Energiewandlungsmaschine geeignet erscheinen. Es wurden Blockheizkraftwerke mit Gasmotor auf Holzgas – und folglich Schwachgasbasis konzipiert, apparatetechnisch angepasst und erprobt. Der direkte Kontakt des Schadstoffbeladenen Verbrennungsgases und des Schmierungssystems im Motor sowie eine Teilkondensation von Kohlenwasserstoffen durch die thermodynamisch bedingte Mantelkühlung sind Ursachen für nur geringe Standzeiten dieser anlagen. Darüber hinaus gestatten die Mantelkühlung und die Abgasenthalpienutzung keine nachgeschaltete Dampferzeugung und Dampfturbine und so Kraft-Wärme-Kopplung, so dass Wärmebedarfsschwankungen immer eine Teillastfahrweise zu Folge haben.requirement for the energetic use of biomass for driving gas turbines and Gas engines is the production of a fuel gas. For the gasification of biomass, primarily wood, there are various methods, of which i.a. the fat bed gasification in the same or Countercurrent and fluidized bed gasification (each atmospheric or pressure charged) for appear the drive of an energy conversion machine suitable. They were combined heat and power plants with gas engine on wood gas - and thus weak gas basis designed, adapted and tested in terms of apparatus. The direct Contact of the pollutant-laden combustion gas and the lubrication system in the engine as well as a partial condensation of hydrocarbons the thermodynamically conditioned jacket cooling are causes for only small Service life of these systems. About that In addition, the jacket cooling allow and the Abgasenthalpienutzung no downstream steam generation and steam turbine and so combined heat and power, so that heat demand fluctuations always have a partial load procedure to result.

Die Kombination von Biomassevergasung und Gasturbinentechnik scheiterte bisher hauptsächlich an der Qualität des im Vergaser erzeugten Brenngases und einer stabilen Verbrennung des minderwertigen Brenngases in der Brennkammer der Gasturbine.The Combination of biomass gasification and gas turbine technology failed so far mainly the quality of the fuel gas produced in the gasifier and a stable combustion of the low-grade fuel gas in the combustion chamber of the gas turbine.

Einsatz einer Gasturbine setzt teerfreies Brenngas geringer Staubbeladung voraus. Hohe Brenngasvolumenströme infolge des geringen Heizwertes erfordern vergrößerte Brennkammern der Gasturbinen, dem jedoch ein verringertes Luftverhältnis entgegensteht.commitment a gas turbine uses tarry fuel gas low dust loading ahead. High fuel gas volume flows due to the low calorific value require enlarged combustion chambers of gas turbines, but precludes a reduced air ratio.

Daraus resultiert die Forderung nach einer thermodynamisch, hydrodynamisch und stofflich exakt definierten Schnittstelle zwischen Gaserzeugung einschließlich Gasreinigung und Brennkammereintritt der Gasturbine. Die damit festzulegende Koppelparameter sind Voraussetzung für die Gas- und Dampfturbinenanlage Die technische Realisierung eines Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerkes mit Biomassegas und so Schwachgas setzt folgende Konzeption voraus:

  • – Biomassevergasung mit definierter Brennstruktur und Rohgasreinigung
  • – Gasturbine mit angepasster Brennkammer für Schwachgas
  • – Abhitzedampferzeuger mit oder ohne Zusatzfeuerung
This results in the requirement for a thermodynamically, hydrodynamically and materially precisely defined interface between gas generation including gas purification and combustion chamber inlet of the gas turbine. The coupling parameters to be defined are a prerequisite for the gas and steam turbine plant. The technical realization of a gas and steam turbine combined heat and power plant with biomass gas and thus lean gas presupposes the following concept:
  • - Biomass gasification with defined fuel structure and raw gas purification
  • - Gas turbine with adapted combustion chamber for lean gas
  • - Heat recovery steam generator with or without additional firing

Darstellung der Erfindungpresentation the invention

Resultierend aus den Mängeln des Technikstandes besteht das Ziel in der Anordnung einer apparativen Ausrüstung für den Gasturbinen- und/oder Gas-Dampfturbinenprozess mit Biomassegas, die die strömungsmechanischen, thermodynamischen und stofflichen Bedingungen für diesen Prozessablauf erfüllt.resultant from the defects of the technical level, the goal is the arrangement of an apparatus equipment for the Gas turbine and / or gas-steam turbine process with biomass gas, the fluid mechanics, thermodynamic and material conditions for this process.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht daher im Eliminieren der negativen Einflussgrößen, wie niedriger Heizwert und so niedrige Temperatur der Wärmezufuhr im Joule-Prozess sowie schadstoffbelasteten Brenn- und Verbrennungsgas bis zum Eintritt in den Entspannungsteil der Gasturbine, wodurch der technisch stabile Ablauf des thermodynamischen Kreisprozesses mit Gasturbinen und energetisch effizienter Kraft-Wärme-Kopplung garantiert ist. Erfindungsgemäß wird das Ziel dadurch erreicht, dass das mit bekannten Biomassevergasungsverfahren erzeugte Brenngas nach chemischer und physikalischer Reinigung nicht direkt zur Verbrennung und Wärmeabgabe der Gasturbinenkammer zugeleitet, sondern einer von der Gasturbine apparativ getrennten und so externen Brennkammer zugeführt wird. Dieser ist ein Oberflächenwärmeübertrager nachgeschaltet, in dem die Wärmezufuhr bei stofflicher Trennung an das sekundärseitig geführte Heißluftturbinenmedium erfolgt. Der Abluftkanal der Heißluftturbine ist sowohl direkt mit der externen Brennkammer zum Zwecke der Nutzung vorgewärmter Verbrennungsluftzufuhr, als auch mit der rauchgasführenden Leitung nach dem Oberflächenwärmeübertrager zur Stützung der Dampferzeugung in einem Abhitzedampferzeuger und den Betrieb einer nach geschalteten Dampfturbine verbunden.The solution Therefore, this task consists in eliminating the negative factors, such as low calorific value and thus low temperature of heat input in Joule process as well as polluted combustion and combustion gas until entry into the relaxation part of the gas turbine, whereby the technically stable process of the thermodynamic cycle with gas turbines and energy efficient combined heat and power is guaranteed. According to the invention Target achieved by that with known biomass gasification produced fuel gas after chemical and physical cleaning not directly for combustion and heat emission fed to the gas turbine chamber, but one of the gas turbine apparatus-separate and thus external combustion chamber is supplied. This is a surface heat exchanger downstream, in which the heat supply at material separation takes place on the secondary side guided hot air turbine medium. The exhaust air duct of the hot air turbine is both directly with the external combustion chamber for the purpose of use preheated Combustion air supply, as well as with the flue gas-carrying Line after the surface heat exchanger for support steam generation in a heat recovery steam generator and operation connected to a connected steam turbine.

Darüber hinaus besteht eine Verbindung zwischen Rauchgasleitung nach dem Oberflächenwärmeübertrager und der externen Brennkammer.Furthermore there is a connection between the flue gas duct after the surface heat exchanger and the external combustion chamber.

  • – eine Bypassleitung zwischen Heißluftleitung nach dem Oberflächenwärmeübertrager mit Kaltluftzufuhr und der Abluftleitung nach der Gasturbine- one Bypass line between hot air line after the surface heat exchanger with cold air supply and the exhaust duct after the gas turbine
  • – eine luftseitige Kaltluftzufuhr in den Oberflächenwärmeübertrager- one air-side cold air supply into the surface heat exchanger

Vorteile der Anlage und EinrichtungAdvantages of Plant and equipment

  • – Wegfall einer konstruktiven und auslegungstechnischen Brennkammeranpassung herkömmlicher Gasturbinen, da die Heißluftutrbineneintritttemperatur unabhängig vom Heizwert des Brenngases über das Temperaturniveaus im Oberflächenwärmeübertrager bestimmt wird. Dadurch entfällt auch der damit verbundene zusätzliche Luftstrom zur Brennkammerkühlung und die Vergrößerung der aufzuwendenden Antriebsleistung des Luftverdichters der als Heißluftturbine ausgeführten Gasturbine.- omission a constructive and design-technical combustion chamber adaptation conventional Gas turbines, as the Heißutrutrinenintritttemperatur independently from the calorific value of the fuel gas the temperature level in the surface heat exchanger is determined. This is eliminated also the associated additional Air flow for combustion chamber cooling and the enlargement of the expended drive power of the air compressor as a hot air turbine executed Gas turbine.
  • – Einsparung eines Brenngasverdichters zur Erzeugung des erforderlichen Gasturbineneintrittdruckes sowie Reduzierung der energie- und kostenaufwendigen Brenngasreinigung, da die stoffliche Trennung zum Gasturbinenmedium erfolgt.- saving a fuel gas compressor for generating the required gas turbine inlet pressure as well as reduction of energy and cost-intensive fuel gas cleaning, because the material separation takes place to the gas turbine medium.
  • – Die Verwendung der Heißluftturbinenabluft einerseits als Verbrennungsluft und andererseits als Heizmedium bei der Dampferzeugung im Abhitzekessel kompensiert den negativen Einfluss niedrigen Heizwertes des Brenngases und erhöht den thermodynamischen Wirkungsgrad der Kraft-Wärme-Kopplung.- The Use of hot air turbine exhaust air on the one hand as combustion air and on the other hand as heating medium when steam generation in the waste heat boiler compensates for the negative Influence low calorific value of the fuel gas and increases the thermodynamic Efficiency of combined heat and power.
  • – Die Kombination von Nutzung der Gasturbinenabluft zur Verbrennung und Beheizung des Abhitzekessels und Rauchgasrücksaugung in die externe Brennkammer ermöglicht außerdem die Regelung der Abkühlungsrate des Verbrennungsgases im Oberflächenwärmeübertrager, dass im Abhitzekessel Dampf hoher Temperatur erzeugt und eine nachgeschaltete Dampfturbine mit hohem Wirkungsgrad betrieben und ein effektiver energetischer Wirkungsgrad der Gesamtanlage bei Schwachgaseinsatz zwischen 50 bis 56 % erzielt werden kann.- The Combination of utilization of gas turbine exhaust air for combustion and Heating the waste heat boiler and flue gas return to the external combustion chamber allows Furthermore the regulation of the cooling rate the combustion gas in the surface heat exchanger, that the waste heat boiler produces high temperature steam and a downstream one Steam turbine operated with high efficiency and an effective Energy efficiency of the entire system with low gas use between 50 to 56% can be achieved.
  • – Dampfturbine mit energetisch sinnvoller Ausführung als Entnahme-Kondensationsturbine- Steam turbine with energetically meaningful execution as extraction condensing turbine

Der Einsatz von Abhitzedampferzeugern mit gespeister Dampfturbine gehören zum Stand der Technik Die Kombination von Biomassevergasung und Gasturbinentechnik scheiterte bisher hauptsächlich an der Qualität des im Vergaser erzeugten Brenngases und einer stabilen Verbrennung des minderwertigen Brenngases in der Brennkammer der Gasturbine.Of the Use of heat recovery steam generators with fed steam turbine belong to PRIOR ART The combination of biomass gasification and gas turbine technology failed so far mainly the quality of the fuel gas produced in the gasifier and a stable combustion of the low-grade fuel gas in the combustion chamber of the gas turbine.

Einsatz einer Gasturbine setzt teerfreies Brenngas geringer Staubbeladung voraus. Hohe Brenngasvolumenströme infolge des geringen Heizwertes erfordern vergrößerte Brennkammern der Gasturbinen, dem jedoch ein verringertes Luftverhältnis entgegensteht.commitment a gas turbine uses tarry fuel gas low dust loading ahead. High fuel gas volume flows due to the low calorific value require enlarged combustion chambers of gas turbines, but precludes a reduced air ratio.

Daraus resultiert die Forderung nach einer thermodynamisch, hydrodynamisch und stofflich exakt definierten Schnittstelle zwischen Gaserzeugung einschließlich Gasreinigung und Brennkammereintritt der Gasturbine. Die damit festzulegende Koppelparameter sind Voraussetzung für die Gas- und Dampfturbinenanlage.from that the demand for a thermodynamic, hydrodynamic results and materially defined interface between gas production including Gas cleaning and combustion chamber inlet of the gas turbine. The thus to be determined Coupling parameters are a prerequisite for the gas and steam turbine plant.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Anlage und Einrichtung ist in Abb. schematisch dargestellt. Einer Gaserzeugungsanlage ist eine ungekühlte Brennkammer (1) zur Verbrennung von Biomassegas nachgeschaltet und diese direkt mit einem Oberflächenwärmeübertrager (2) zur Aufheizung des Verdichter (3) der Heißluftturbine verdichteten atmosphärischen Luft mit Kaltluftanschluss angeordnet. Sekundärseitig besteht die direkte Verbindung zum Entspannungsteil (4) der Heißluftturbine, der mit dem Generator (5) gekoppelt ist. Die Abluftleitung der Heißluftturbine (4) ist direkt sowohl mit der Brennkammer (1), als auch mit der primärseitig rauchgasführenden Leitung des Oberflächenwärmeübertragers (2) verbunden.The system and equipment is shown schematically in Fig. A gas generating plant is an uncooled combustion chamber ( 1 ) downstream of the combustion of biomass gas and this directly with a surface heat exchanger ( 2 ) for heating the compressor ( 3 ) of the hot air turbine arranged compressed atmospheric air with cold air connection. On the secondary side there is the direct connection to the relaxation part ( 4 ) of the hot air turbine connected to the generator ( 5 ) is coupled. The exhaust air line of the hot air turbine ( 4 ) is directly connected to both the combustion chamber ( 1 ), as well as with the primary side flue gas-carrying line of the surface heat exchanger ( 2 ) connected.

Eine Bypassleitung mit Kaltluftanschluss verbindet die Heißluftleitung nach dem Wärmeübertrager (2) mit der Abluftleitung nach dem Entspannungsteil (4) und so der Rauchgasleitung nach dem Oberflächenwärmeübertrager (2). Zusätzlich ist die Rauchgasleitung zur Rauchgasrückführung in die Brennkammer (1) direkt mit dieser verbunden. Die Rauchgasleitung führt zum Abhitzedampferzeuger (6), dem sekundärseitig parallel eine Dampfturbine (9) mit Generator (10) sowie ein Dampfzustandswandler (8) nachgeordnet und diese direkt mit einem Wärmeübertrager (11) verbunden sind.A bypass line with cold air connection connects the hot air line to the heat exchanger ( 2 ) with the exhaust duct after the relaxation part ( 4 ) and so the flue gas duct after the surface heat exchanger ( 2 ). In addition, the flue gas line for flue gas recirculation into the combustion chamber ( 1 ) directly connected to this. The flue gas line leads to the heat recovery steam generator ( 6 ), the secondary side parallel a steam turbine ( 9 ) with generator ( 10 ) as well as a vapor state converter ( 8th ) and these directly with a heat exchanger ( 11 ) are connected.

Abhitzedampferzeuger (6) und der Kamin (7) sind durch die Abgasleitung gekoppelt.Heat recovery steam generator ( 6 ) and the fireplace ( 7 ) are coupled through the exhaust pipe.

Claims (8)

Anlage und Einrichtung zur energetischen Nutzung von Biomasse in Energiewandlungsanlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung bei Energiewandlung chemischer gebundener Energie von Biomasse-Brennstoff in die Nutzenergien Wärme und Elektroenergie dadurch gekennzeichnet, dass dem Biomassevergaser in Folge ein Reinigungszyklon, ein Brenngaskühler und Filtersystem nachgeschaltet sind, denen wiederum eine externe Brennkammer zur Verbrennung des Biogases und ein Oberflächenwärmeübertrager nachgeordnet sind, dass sekundärseitig die Verbindung zu einer Heißluftturbine besteht, die wiederum abluftseitig mit einem Abhitzedampferzeuger und einer Dampfturbine gekoppelt ist.Plant and device for the energetic use of biomass in energy conversion plants with combined heat and power in energy conversion of chemical energy from biomass fuel in the useful energy heat and electric energy, characterized in that the biomass gasifier in a row a cleaning cyclone, a fuel gas cooler and filter system are followed In turn, an external combustion chamber for combustion of the biogas and a surface heat exchanger are arranged downstream, that on the secondary side the connection to a hot air turbine, which in turn is coupled on the exhaust side with a heat recovery steam generator and a steam turbine. Anlage und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine von der Heißluftturbine abluftführende Leitung zur externen Brennkammer angeordnet ist.Plant and device according to claim 1, characterized that one from the hot air turbine exhaust air leading Line is arranged to the external combustion chamber. Anlage und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine von der Heißluftturbine abluftführende Leitung mit der Rauchgasführung nach dem Hochtemperaturwärmeübertrager verbunden ist.Plant and device according to claim 1, characterized that one from the hot air turbine exhaust air leading Line with the flue gas duct after the high-temperature heat exchanger connected is. Anlage und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgasleitung nach dem Hochtemperaturoberflächenwärmeübertrager mit der externen Brennkammer verbunden ist.Plant and device according to claim 1, characterized that the flue gas duct after the high-temperature surface heat exchanger connected to the external combustion chamber. Anlage und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung die Heißluftleitung nach dem Oberflächenwärmeübertrager mit der Abluftleitung zwischen Heißluftturbine und Rauchgasführung verbindet und einen Kaltluftanschluss besitzt.Plant and device according to claim 1, characterized that a bypass line the hot air line after the surface heat exchanger connects with the exhaust air line between hot air turbine and flue gas duct and has a cold air connection. Anlage und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennnzeichnet, dass die Luftzufuhrleitung zum Oberflächenwärmeübertrager ein Kaltluftanschluss angeordnet ist.Plant and device according to claim 1 characterized gekennnzeichnet, the air supply line to the surface heat exchanger is a cold air connection is arranged. Anlage und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzedampferzeuger direkt mit der Entnahme – Kondensationsturbine verbunden ist und deren Entnahmedampfleitung zum Wärmeübertrager führt.Plant and device according to claim 1, characterized in that the heat recovery steam generator is directly connected to the extraction - condensing turbine and their extraction steam line to the heat transformer leads. Anlage und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Entnahme – Kondensationsturbine ein Dampfzustandswandler angeordnet und mit dem Wärmeübertrager verbunden ist.Plant and device according to claim 1, characterized that parallel to the extraction - condensing turbine a steam condition transducer arranged and with the heat exchanger connected is.
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