DE202005018849U1 - Plant and device for conversion of fuel energy of renewable raw materials into useful energy has solid matter combustion unit to which is connected surface heat exchanger for utilization of flue gas enthalpy - Google Patents

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Abstract

The plant and device for the conversion of fuel energy of renewable raw materials into useful energy has a solid matter combustion unit to which is connected a surface heat exchanger (2) for the utilization of the flue gas enthalpy. The connection to a hot gas turbine (8) exists on the secondary side, and the hot air turbine in turn is coupled on the exhaust air side to a waste heat steam generator (9) and to a steam turbine (13).

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Anlage und Einrichtung zur Energiewandlung von Brennstoffenergie nachwachsender Rohstoffe in Nutzenergie findet in thermischen Energiewandlungsanlagen Anwendung, bei denen nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung Elektroenergie und Wärme gleichlaufend vom thermodynamischen Prozess ausgekoppelt werden. Dies betrifft hervorragend die Gas-Dampfturbinen-Heizkraftwerke (GuD-HKW), deren Wärmezufuhr bei höchster Temperatur und Wärmeabfuhr bei niedrigster Temperatur erfolgt und daraus die maximalen Wirkungsgrade resultieren.The Plant and device for energy conversion of fuel energy renewable raw materials into useful energy is found in thermal energy conversion plants Application in which, according to the principle of combined heat and power Electric energy and heat be coupled out concurrently from the thermodynamic process. This concerns excellently the gas steam turbine cogeneration plants (CCGT), whose heat supply at the highest Temperature and heat dissipation at the lowest temperature takes place and from this the maximum efficiencies result.

Stand der TechnikState of the art

Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerke, bestehend aus den Hauptkomponenten Gasturbine, Abhitzdampferzeuger und Dampfturbine stellen für die fossilen Brennstoffe Erdgas und Erdöl Stand der Technik dar. Die realisierbaren Wirkungsgrade betragen - energetischer Wirkungsgrad (Brennstoffausnutzung) ηen ≤ 0,85 - thermischer Wirkungsgrad (elektrischer) ηth ≤ 0,55 - Carnotfaktor (Prozessgüte) ηc ≤ 0,70 Gas and steam turbine power plants, consisting of the main components gas turbine, heat recovery steam generator and steam turbine for the fossil fuels natural gas and petroleum state of the art. The achievable efficiencies amount - energy efficiency (fuel efficiency) η en ≤ 0.85 - thermal efficiency (electrical) η th ≤ 0.55 Carnot factor (process quality) η c ≤ 0.70

Ein weiterer Vorteil des Gas- und Dampfturbinenprozesses ist gekennzeichnet durch die Möglichkeit, mit einer Entnahme-Kondenstations-Dampfturbine die Gesamtanlage unabhängig von Wärmebedarfsschwankungen mit Auslegungsleistung und somit ohne teillastbedingte Wirkungsgradminderung betreiben zu können. Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerke sind durch die thermische und hydraulische Belastung der Gasturbinenbrennkammer in ihrer Leistung nach oben konstruktiv begrenzt. Die untere Grenze resultiert aus der noch ausführbaren Beschaufelung der Dampfturbinen sowie aus den Investkosten und so der Wirtschaftlichkeit.One Another advantage of the gas and steam turbine process is characterized by the possibility of having a take-off condensing steam turbine the entire plant regardless of Heat demand fluctuations with design performance and thus without partial load-related efficiency reduction to be able to operate. Gas- and steam turbine power plants are characterized by the thermal and hydraulic Load of the gas turbine combustor in their performance upwards constructively limited. The lower limit results from the still executable Blading of the steam turbines as well as from the investment costs and so on the economy.

Die technische Realisierung eines Gas- und Dampfturbinenprozesses mit Biomasse- und Schwachgas (30 % des Heizwertes von Erdgas und Erdöl) setzt folgende Konzeption voraus:

  • • Biomassevergasung mit definierter Brennstoffstruktur und Rohgasreinigung
  • • Gasturbine mit angepasster interner Brennkammer für Schwachgas
  • • Abhitzedampferzeuger mit oder ohne Zusatzfeuerung
The technical realization of a gas and steam turbine process with biomass and lean gas (30% of the calorific value of natural gas and crude oil) requires the following concept:
  • • Biomass gasification with defined fuel structure and raw gas purification
  • • Gas turbine with adapted internal combustion chamber for lean gas
  • • Heat recovery steam generator with or without additional firing

Die Kombination von Biomassevergasung mit konventioneller Gasturbinentechnik führt wegen des niedrigen Heizwertes zu Verbrennungs- und Gasturbineneintrittstemperaturen, die den Gasturbineneffekt erheblich reduzieren. Darüber hinaus sind geringste Staub- und Teerbeladung für den Dauerbetrieb der konventionellen Brennkammer unabdingbar. Hohe Brenngasvolumenströme erfordern vergrößerte Brennkammervolumina, dem jedoch ein verringertes Luftverhältnis entgegensteht.The Combination of biomass gasification with conventional gas turbine technology leads because of the low calorific value to combustion and gas turbine inlet temperatures, which significantly reduce the gas turbine effect. Furthermore are lowest dust and tar load for continuous operation of conventional Combustion chamber indispensable. High fuel gas volume flows require enlarged combustion chamber volumes, but precludes a reduced air ratio.

Die somit gestellt Forderung besteht aus einer thermodynamisch, hydrodynamisch und stofflich exakt definierten Schnittstelle zwischen Gaserzeugung einschließlich Gasreinigung und Brennkammereintritt der Gasturbine.The thus asked requirement consists of a thermodynamic, hydrodynamic and materially defined interface between gas production including Gas cleaning and combustion chamber inlet of the gas turbine.

Die konventionelle Gasturbine mit interner Brennkammer durch die mit Luft betriebene Heißgasturbine und externer Brennkammer sowie gekoppelten Hochtemperaturwärmeübertrager zu eliminieren, bietet die Lösung gestellter Forderungen.The conventional gas turbine with internal combustion chamber through the with Air powered hot gas turbine and external combustion chamber and coupled high-temperature heat exchanger to eliminate, offers the solution demands made.

Dass dabei die Biomassevergaseranlage als Kostenfaktor die Wirtschaftlichkeitsanalyse erheblich beeinflusst, zwingt trotz thermodynamischer und energetischer Effizienz zur Alternativlösung.That The biomass gasification plant as a cost factor, the profitability analysis considerably influenced, forces in spite of thermodynamic and energetic Efficiency as an alternative solution.

Darstellung der Erfindungpresentation the invention

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

Die Lösung dieser Aufgabe besteht daher in eliminieren negativer Einflussgrößen, wie niedriger Heizwert und so niedriger Temperatur der Wärmezufuhr im Joule-Prozess, Schadstoffbelastung des Brenn- und Verbrennungsgases bis zum Eintritt in den Entspannungsteil der Heißgasturbine und technischer und Kostenaufwand der Vergasungsanlage bei energetischer Effizienz der Kraft-Wärme-Kopplung. Erfindungsgemäß wird das Ziel dadurch erreicht, dass mit bekannten Biomasseverbrennungsverfahren in ungekühlten Feuerungen nach dem Rost-, Staub- und Wirbelschichtprinzip ein Verbrennungsgas/Rauchgas erzeugt wird, das nach physikalischer Reinigung einem Oberflächenwärmeübertrager zugeleitet wird, indem die Wärmezufuhr bei stofflicher Trennung an das sekundär geführte Medium Luft der Heißgasturbine erfolgt.The solution Therefore, this task consists in eliminating negative factors, such as low calorific value and thus low temperature of the heat supply in the Joule process, pollution of the combustion and combustion gas until entry into the relaxation part of the hot gas turbine and technical and cost of the gasification plant with energy efficiency the combined heat and power. According to the invention Target achieved by using known biomass combustion methods in uncooled Firing according to the rust, dust and fluidized bed principle, a combustion gas / flue gas is generated after physical cleaning a surface heat exchanger is fed by the heat with material separation to the secondary-guided medium air of the hot gas turbine he follows.

Der Abluftkanal dieser mit Luft betriebenen Heißgasturbine ist sowohl direkt mit der Feststofffeuerung zum Zwecke der Nutzung als heiße Verbrennungsluft, als auch mit der rauchgasführenden Leitung nach dem Oberflächenwärmeübertrager zur Dampferzeuger in einem Abhitzedampferzeuger und dem Betrieb einer nachgeordneten Dampfturbine verbunden. Darüber hinaus wird eine Verbindung der Rauchgasleitung nach dem Oberflächenwärmeübertrager für eine Rauchgasrückführung zur Feuerungsanlage geschaffen. Zur Umgehung des Oberflächenwärmeübertragers und so der Heißgasturbine wird Verbrennungsgas/Rauchgas in einer Bypassleitung nach der Feuerungsanlage und rauchgasführender Leitung zum Abhitzedampferzeuger angeordnet.Of the Exhaust duct of this air-driven hot gas turbine is both direct with solid fuel firing for the purpose of use as hot combustion air, as well as with the flue gas-carrying Line after the surface heat exchanger to the steam generator in a heat recovery steam generator and the operation connected to a downstream steam turbine. In addition, a connection will be made the flue gas duct after the surface heat exchanger for a flue gas recirculation Furnace created. To bypass the surface heat exchanger and so the hot gas turbine is combustion gas / flue gas in a bypass line after the furnace and flue gas-carrying Line arranged to the heat recovery steam generator.

Eine Querverbindung zwischen Heißluftleitung unmittelbar nach dem Oberflächenwärmeübertrager und abluftführender Leitung zum Abhitzedampferzeuger mit Anschluss eines Kühlmediums garantiert die Dampferzeugung.A Cross connection between hot air line immediately after the surface heat exchanger and exhaust air leading Line to the heat recovery steam generator with connection of a cooling medium guarantees the steam generation.

Eine frischdampfführende Bypassleitung zur Entnahme-Kondensationsturbine sichert die Wärmeversorgung.A freshly steam-carrying Bypass line to extraction condensing turbine secures the heat supply.

Vorteile der Anlage und EinrichtungAdvantages of the system and Facility

  • • Wegfall der konstruktiven und auslegungstechnischen Brennkammeranpassung herkömmlicher Gasturbinen sowie des anlagentechnischen und kostenintensiven Aufwandes der Biomassevergasung. Dadurch entfällt auch der zusätzliche Luftstrom zur Brennkammerkühlung und die Vergrößerung der aufzuwendenden Antriebsleistung des Luftverdichters der Heißgasturbine.• omission the constructive and design-technical combustion chamber adaptation conventional Gas turbines and the technical equipment and costly effort biomass gasification. This eliminates the additional Air flow for combustion chamber cooling and the enlargement of the expended drive power of the air compressor of the hot gas turbine.
  • • Einsparung eines Brenngasverdichters zur Erzeugung des erforderlichen Eintrittsdruckes für den Entspannungsteil der Heißgasturbine.• saving a fuel gas compressor for generating the required inlet pressure for the Relaxation part of the hot gas turbine.
  • • Kompensation der infolge Biomasseheizwert niedrigen Verbrennungstemperatur durch Verwendung der Heißgasturbinenabluft als Verbrennungsluft und so Erhöhung thermodynamischer Wirkungsgrade.• compensation the low combustion temperature due to biomass heating value Use of the hot gas turbine exhaust as combustion air and so increase thermodynamic efficiencies.

Die Kombination von Nutzung der Heißgasturbinenabluft zur Verbrennung einerseits und Beheizung des Abhitzekegels und Rauchgasrücksaugung in die Feuerungsanlage ermöglicht außerdem die Regelung der Abkühlungsrate des Verbrennungs-/Rauchgases im Oberflächenwärmeübertrager, dass im Abhitzedampferzeuger Dampf hoher Temperatur erzeugt und die nachgeschaltete Dampfturbine mit hohem Wirkungsgrad betrieben und so ein Carnotfaktor als Prozessgütekriterium um 60 % erzielt werden kann.The Combination of use of the hot gas turbine exhaust for combustion on the one hand and heating of the waste heat cone and flue gas recirculation allowed into the furnace Furthermore the regulation of the cooling rate the combustion / flue gas in the surface heat exchanger, that in the heat recovery steam generator High temperature steam generated and the downstream steam turbine operated with high efficiency and so a Carnotfaktor as a process quality criterion can be achieved by 60%.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Anlage und Einrichtung ist in 1 schematisch dargestellt. Eine Feuerungsanlage zur Verbrennung fester Biomasse (1) ist durch eine verbrennungs-/rauchgasführende Leitung direkt mit einem Oberflächenwärmeübertrager (2) verbunden. In diesem erfolgt die Aufheizung der vom Verdichter (3) der Heißgasturbine verdichteten atmosphärischen Luft als Heißgasturbinenmedium. Sekundärseitig besteht die direkte Verbindung zum Entspannungsteil der Heißgasturbine (4), der mit dem Elektrogenerator (5) gekoppelt ist. Die Abluftleitung der Heißgasturbine ist direkt sowohl mit der Feuerungsanlage (1), als auch mit der rauchgasführenden Leitung nach dem Oberflächenwärmeübertrager (2) verbunden. Zusätzlich ist die rauchgasführende Leitung nach dem Wärmeübertrager (2) als Rauchgasrückführung mit der Feuerungsanlage (1) verbunden.The facility and decor is in 1 shown schematically. A combustion plant for burning solid biomass ( 1 ) is passed through a combustion / flue gas-carrying line directly to a surface heat exchanger ( 2 ) connected. In this, the heating of the compressor ( 3 ) of the hot gas turbine compressed atmospheric air as a hot gas turbine medium. Secondary side is the direct connection to the relaxation part of the hot gas turbine ( 4 ) connected to the electric generator ( 5 ) is coupled. The exhaust duct of the hot gas turbine is directly connected to both the firing system ( 1 ), as well as with the flue gas-carrying line after the surface heat exchanger ( 2 ) connected. In addition, the flue gas line leading to the heat exchanger ( 2 ) as flue gas recirculation with the furnace ( 1 ) connected.

Darüber hinaus besitzt die Feuerungsanlage (1) eine mit Gebläse ausgestattete Frischluftzufuhrleitung.In addition, the firing system ( 1 ) equipped with a fan fresh air supply line.

Das Verbrennungs-/Rauchgas unmittelbar nach der Feuerungsanlage (1) kann im Bypass zum Oberflächenwärmeübertrager (2) in die rauchgasführende Leitung mit Anschluß einer Kühlmediumsleitung eingespeist werden.The combustion / flue gas immediately after the combustion plant ( 1 ) can be bypassed to the surface heat exchanger ( 2 ) are fed into the flue gas-carrying line with connection of a cooling medium line.

Die Heißluftleitung nach dem Oberflächenwärmeübertrager (2) ist verbunden mit der Abluftleitung der Heißgasturbine mit Kühlmediumsanschluss. Verbrennungs-/Rauchgas-Heißluft und Abluftleitung münden in die Rauchgasleitung zum Abhitzedampferzeuger (6). Gekühltes Rauchgas verlässt als Abgas den Kamin (7). Erzeugter Frischdampf speist die Dampfturbine (9) in Kopplung mit dem Elektrogenerator (10).The hot air line after the surface heat exchanger ( 2 ) is connected to the exhaust air line of the hot gas turbine with cooling medium connection. Combustion / flue gas hot air and exhaust duct open into the flue gas line to the heat recovery steam generator ( 6 ). Cooled flue gas leaves the chimney as exhaust gas ( 7 ). Generated live steam feeds the steam turbine ( 9 ) in coupling with the electric generator ( 10 ).

Eine Verbindungsleitung ist zwischen Dampfturbine und Wärmeverbraucher (11) angeordnet.A connecting line is between steam turbine and heat consumer ( 11 ) arranged.

Eine Umgehung der Dampfturbine erfolgt in der Bypassleitung mit Reduziereinrichtung (8).A bypass of the steam turbine takes place in the bypass line with reducing device ( 8th ).

In 2 ist die Anlage und Einrichtung in einem komplexen Energiefluss- und Stoffstromschema dargestellt.In 2 the system and equipment are presented in a complex energy flow and material flow scheme.

11
Brennstoffbunkerbunker fuel
22
Brennstofftrocknerfuel dryer
33
Zwischenbunker und Beschickungseinrichtungintermediate bunker and charging device
44
Frischluftgebläse 1 Fresh air blower 1
55
Brennkammer/FeuerungCombustion chamber / furnace
66
Hochtemperatur-high temperature
Wärmeübertrager (WÜ)Heat exchanger (WÜ)
77
Frischluftgebläse 2 Fresh air blower 2
88th
HeißgasturbineHot gas turbine
99
Abhitzedampferzeugerheat recovery steam generator
1010
Rauchgas-WÜFlue gas WÜ
1111
Rauchgas-WÜ, KondensatvorwärmungFlue gas heat exchanger, condensate preheating
1212
Kaminfireplace
1313
Entnahme-Kondensations-DampfturbineExtraction-condensing steam turbine
1414
Heizkondensatorheating capacitor
1515
Kondensatorcapacitor
1616
Kühlturmkreislauf, KondensatorCooling tower circulation, capacitor
1717
ZwischenkreislaufIntermediate circuit
1818
WÜ, ZwischenkreislaufWÜ, intermediate circuit
1919
WÜ, Nah-/FernwärmeWÜ, local / district heating
2020
SpeisewasserbehälterFeedwater tank
2121
SpeisewasseraufbereitungFeed water treatment

Claims (8)

Anlage und Einrichtung zur Energiewandlung von Brennstoffenergie nachwachsender Rohstoffe in Nutzenergie dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoffverbrennungseinrichtung ein Oberflächenwärmeüberträger zur Nutzung der Rauchgasenthalpie nachgeschaltet ist, dass sekundärseitig die Verbindung zu einer Heißluftturbine besteht, die wiederum abluftseitig mit einem Abhitzedampferzeuger und einer Dampfturbine gekoppelt ist.Plant and device for converting energy from renewable energy renewable fuels into useful energy, characterized in that the solid fuel combustion device is a surface heat exchanger downstream of the use of flue gas enthalpy, 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 Feststoffverbrennungseinrichtung 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 solid combustion device. Anlage und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine von der Heißluftturbine abluftführende Leitung mit der Rauchgasführung nach dem Oberflächenwärmeübertrager 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 surface heat exchanger connected is. Anlage und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Heißluft nach dem Oberflächenwärmeübertragerund vor der Heißluftturbine im Bypass zu dieser in die abluftführende Leitung zur Rauchgasleitung geführt wird und dabei die Einspeisung eines Kühlmediums angeordnet ist.Plant and device according to claim 1, characterized that the hot air after the surface heat exchanger and in front of the hot air turbine in the bypass to this in the exhaust air line leading to the flue gas line guided is while the supply of a cooling medium is arranged. Anlage und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgasleitung nach dem Oberflächenwärmeübertrager mit der Feststoffverbrennungseinrichtung verbunden ist.Plant and device according to claim 1, characterized that the flue gas duct after the surface heat exchanger with the solids combustion device connected is. Anlage und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die rauchgasführende Leitung nach dem Oberflächenwärmeübertrager mit der Verbindung von Feststoffverbrennungseinrichtung und Oberflächenwärmeübertrager verbunden ist und die Einspeisung eines Kühlmediums besitzt.Plant and device according to claim 1, characterized in that the flue gas-carrying line after the surface heat exchanger with the compound of solids combustion device and upper surface heat exchanger is connected and has the feed of a cooling medium. Anlage und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung von Luftverdichter der Heißluftturbine und dem Oberflächenwärmeübertrager die Einspeisevorrichtung für ein Kühlmedium besitzt.Plant and device according to claim 1, characterized that the connecting pipe of air compressor of the hot air turbine and the surface heat exchanger the feeding device for a cooling medium has. Anlage und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Frischdampfleitung nach dem Abhitzedampferzeuger einen Abzweig mit Reduzierstation als Baypass zur Dampfturbine erhält.Plant and device according to claim 1, characterized that the main steam line after the heat recovery steam generator a Branch with reducing station receives as Baypass to the steam turbine.
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