DE2429993B2

DE2429993B2 - Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie

Info

Publication number: DE2429993B2
Application number: DE2429993A
Authority: DE
Inventors: Hermann 4300 Essen Staege
Original assignee: Krupp-Koppers 4300 Essen GmbH
Current assignee: Krupp-Koppers 4300 Essen GmbH
Priority date: 1974-06-22
Filing date: 1974-06-22
Publication date: 1979-11-29
Also published as: DE2429993A1; US3990229A; ZA753420B; GB1473753A; CA1023957A; DE2429993C3

Description

In einer älteren Anmeldung der Anmelderin (DE-OS 45 396) ist ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie in einem kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit vorgeschalteter Kohlevergasungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vorgeschlagen worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses gattungsgemäße Verfahren in bezug auf die Kohlevergasung einfacher und kostengünstiger zu gestalten und in bezug auf die Energieerzeugung wirkungsgradmäßig zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die Verwendung von vorgewärmter Luft anstelle von Sauerstoff als Sauerstoffträger für die Vergasung entfällt beim erfindungsgemäßen Verfahren die Notwendigkeit des Vorhandenseins einer Sauerstofferzeugungseinrichtung (Luftzerlcgungsanlage), die nicht unbeträchtliche Anlage- und Betriebskosten verursacht. Die erforderliche Vergasungsluft wird beim erfindungsgemäßen Verfahren durch das Rauchgas aus der Brennkammer praktisch verlustlos auf die erforderliche Temperatur aufgewärmt Bei separaten Vorwärmern, die durch Gas beheizt werden, könnte man dagegen nur mit einem Wii kungsgrad von 80% rechnen. Gleichzeitig wird der Wirkungsgrad der Gesamtanlage dadurch verbessert daß das in der Kohlevergasungsanlage erzeugte Gas vor dem Eintritt in die Brennkammer verdichtet wird und das bei der Verbrennung in der Brennkammer anfallende heiße

ίο Rauchgas zusätzlich zur Dampfüberhitzung herangezogen wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann ferner zur Abkühlung des aus der Kohlevergasungsanlage austretenden heißen Gases unter den Ascheschmelzpunkt kaltes Gas verwendet werden, welches nach Passieren des Abhitzekessels durch eine Leitung zurückgeführt und zwischen dem Austritt aus der Kohlevergasungsanlage und dem Eintritt in den Abhitzekessel in den heißeren Gasstrom eingeblasen wird. Bisher war es vielfach üblich, das heiße Gas vor dem Eintritt in den Abhitzekessel zur Vermeidung von Ablagerungen im Abhitzekessel durch Einspritzen von Wasser direkt zu kühlen. Demgegenüber bringt die erfindungsgemäße Arbeitsweise den Vorteil einer erhöhten Dampferzeugung im Abhitzekessel. Gleichzeitig wird der Abwasseranfall drastisch herabgesetzt, weil das aus dem direkten Gaskühler ablaufende Wasser normalerweise als Abwasser abgestoßen werden muß bzw. erst nach einer entsprechenden Behandlung in Absetzbecken oder dergl. wiederverwendet werden kann.

Zur weiteren Erläuterung soll der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens an Hand des in der Abbildung dargestellten Fließschemas geschildert werden. Der Verfahrensablauf ist dabei im einzelnen wie folgt:

Die zu vergasende Rohkohle wird über ein Transportband 1 oder eine ähnliche Fördereinrichtung der Kohlevorbereitungsanlage 2 zugeführt. In der Kohlen-Vorbereitungsanlage wird die Kohle in einem Arbeitsgang in der üblichen Weise bis auf eine Korngröße von 80 bis 120 μ (Mikron) aufgemahlen und gleichzeitig bis auf eine Restfeuchte von 1 bis 10 Gew.-% H₂O abgetrocknet. Die Abtrocknung erfolgt mit einem Teil des entspannten Rauchgases, welches hinter der Gasturbine 25 anfällt. Dieses Rauchgas wird in der Kohlenvorbereitungsanlage 2 durch Leitung 3 zugeführt. Die Temperatur des Gases in der Leitung 3 kann dadurch eingestellt werden, daß ein Teil desselben direkt aus der Leitung 4 entnommen wird, welche unmittelbar hinter der Gasturbine 25 von der Leitung 28 abzweigt, während der Rest aus der Leitung 32 stammt und bereits in der Vorwärmergruppe 29 eine entsprechende Abkühlung erfahren hat. Durch das Mischen beider Gasströme lassen sich die gewünschten und in Abhängigkeit von der Feuchte der Kohle erforderlichen Temperaturen ohne Schwierigkeiten einstellen. Nach dem Trocknungs- und Mahlvorgang wird das abgekühlte Rauchgas zusammen mit den anfallenden Mahlbrüden durch die Leitung 6 abgezogen und über einen im Fließschema nicht dargestellten Kamin in die Atmosphäre abgelassen. Selbstverständlich kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren anstelle von stückiger Kohle auch Kohlenstaub zum Einsatz gelangen, so daß in diesem Falle eine Aufmahlung in der Kohlenvorbereitungsanlage 2 niehl erforderlich ist. Der Kohlenstaub muß lediglich unter Umständen einer gewissen Trocknung unterworfen werden, sofern seine Restfeuchte

oberhalb des weiter oben angegebenen Bereiches liegt.

Aus der Kohlevorbereitungsanlage 2 gelangt die feingemahlene Kohle über die Leitung 7 in die Kohlevergasungsanlage 8, in der sie mit entsprechend vorgewärmter Luft einer Gleichstromver^asung unterworfen wird. Bei der Kohlevergasungsanlage 8 kann es sich um eine bewährte Vergaser-Kor:struktion handeln. Der Abhitzekessel 9, in dem das bei der Vergasung erzeugte Gas abgekühlt wird, kann sich unmittelbar an den Kohlevergaser anschließen. Gegebenenfalls kann es mit diesem sogar zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt sein. Der Abhitzekessel 9 weist dabei die Teile 22 und 40 auf.

Im Teil 22 des Abhitzekessels wird Hochdruckdampf und im anderen Teil 40 Niederdruckdampf erzeugt. Letzterer kann über die Leitung 41 im erforderlichen Umfange der Vergasungsluft in der Leitung 39 zugemischt werden. Um die erforderliche Abkühlung des aus dem Kohlevergaser 8 austretenden heißen Gases unter den Ascheschmelzpunkt zu gewährleisten, kann gegebenenfalls die Leitung 52 vorgesehen sein, durch die ein Teilstrom des durch die Leitung 10 strömenden abgekühlten Gases abgezweigt und dem heißen Gas zwischen dem Austritt der Kohlevergasungsanlage und Abhitzekesseleintritt zugemischt wird.

Nach dem Verlassen des Abhitzekessels 9 strömt das auf 150 bis 35O⁰C, vorzugsweise auf etwa 200⁰C, abgekühlte Gas durch die Leitung 10 zur mechanischen Gasreinigung und weiteren Abkühlung. Diese erfolgt in an sich bekannter Weise in dem Kühlwascher 11. Dem Kühlwascher 11 kann eine Feinreinigung nachgeschaltet sein, welche mit einem Desintegrator und gegebenenfalls Elektrofilter ausgestattet ist. Diese Elemente sind in dem Fließschema jedoch nicht dargestellt.

Das Gas strömt sodann durch Leitung 12 /um Kompressor 13. In diesem wird es auf 5 bis 50 ata, vorzugsweise auf ca. 10 bis 20 ata, verdichtet und danach durch Leitung 14 der Entschwefelungsanlage 15 zwecks Auswaschung der gasförmigen Schwefelbestandtcilc (H₂S und COS) sowie gegebenenfalls von CO₂ zugeführt. Die Gasentschwefelung erfolgt zweckmäßig mit einem bewährten Absorptions-Regenerativ-Verfahren, wobei die hierfür bekannten Waschmittel eingesetzt werden können. Die ausgewaschenen Gasbestandteile werden durch die Leitung 58 aus dem Verfahren abgezogen.

Das entschwefelte Gas gelangt danach durch Leitung 16 zur Brennkammer 17, in der es mit vorgewärmter Luft verbrannt wird. Die auf 200 bis 600⁰C, vorzugsweise auf 3CO bis 500⁰C, vorgewärmte und auf 5 bis 30 ata, vorzugsweise auf 8 bis 28 ata, verdichtete Luft wird durch die Leitung 18 der Brennkammer 17 zugeführt. Das in der Brennkammer 17 erzeugte heiße Rauchgas hat eine Temperatur von ca. 1500⁰C. Die erforderliche Abkühlung des heißen Rauchgases auf die zwischen 750 und 1000°C liegende Eintrittstemperatur der Gasturbine 25 wird wie folgt vorgenommen:

Ein Teil der fühlbaren Wärme des heißen Rauchgases geht über die Luftvorwärmerflächen 19 an die Vergasungsluft und erwärmt diese auf 300 bis 1000⁰C. vorzugsweise auf ca. 800⁰C. Die entsprechend vorgewärmte Vergasungsluft strömt durch Leitung 20 zur Kohlevergasungsanlage 8. Ein weiterer Teil der fühlbaren Wärme wird im Dampfüberhitzer 21 zur Überhitzung des Hochdruckdampfes genutzt. Dieser wird dabei im Teil 22 des Abhitzekessels hinter der Kohlevergasungsanlage 8 und im Kessel 23 erzeugt. Die restliche fühlbare Wärme des heißen Rauchgases wird im Kessel 23 abgebaut Die Luftvorwärmerflächen 19, der Dampfüberhitzer 21 und der Kessel 23 können dabei wieder zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt sein, die sich unmittelbar an die Brennkammer 17 anschließt. so daß alle drei Einrichtungen unmittelbar nacheinander von dem heißen Rauchgas durchströmt werden können. Das entsprechend abgekühlte Rauchgas gelangt anschließend über die Leitung 24 zur Gasturbine 25. In dieser erfolgt die mit einer Gasabkühlung verbundene leistungsabgebende Entspannung des Gases. Die dabei von der Gasturbine 25 aufgenommene Leistung wird an den Luftkompressor 26 für die erforderliche Verdich tung der Brennluft und an den Stromerzeuger 27 zwecks Erzeugung von elektrischer Energie weitergegeben.

Das in der Gasturbine 25 entspannte und abgekühlte Rauchgas gelangt durch Leitung 28 zu einer Vorwärmergruppe 29. In dieser wird die fühlbare Wärme des Gases durch den Vorwärmer 30 an die Brennluft und durch den Speisewasservorwärmer 31 an das Speisewasser gegeben. Das so abgekühlte Gas verläßt die Vorwärmergruppe 29 durch die Leitung 32. Am Ende der Leitung 32 befindet sich das Steuerventil 5, durch das der ankommende Gasstrom in zwei Teilströme zerlegt wird. Der eine Teilstrom gelangt über die Leitung 33 und einen nicht dargestellten Abgaskamin in die Atmosphäre, während der andere Teilstrom über die Leitung 3 7ur Kohlenvorbereitungsanlage 2 zurückgeführt wird.

Die Aufteilung in die beiden Teilströme richtet sich dabei danach, welcher Wärmebedarf in der Kohlenvorbereitungsanlage 2 vorhanden ist.

Der Kompressor 26 saugt die erforderliche Brennluft durch die Leitungen 34 und 35 an und drückt sie verdichtet durch Leitung 36 zum Vorwärmer 30. Hier wird sie erhitzt und gelangt durch Leitung 18 zur Brennkammer 17. Die Vergasungsluft wird währenddessen vom Kompressor 37 durch die Leitungen 34 und 38 angesaugt und verdichtet. Sie gelangt über die Leitung 39, die Lultvorwärmerflächen 19 und die Leitung 20 zur Kohlenvergasungsanlage 8. Vor dem Passieren der Luftvorwärmerflächen 19 wird der verdichteten Vergasungsluft über die Leitung 41 im erforderlichen Umfange Wasserdampf zugemischt, der im Teil 40 des Abhitzekessels 9 erzeugt wird. Der in dem Teil 22 des Abhitzekessels erzeugte Hochdruckdampf geht über die Leitungen 42 und 43 zum Dampfüberhitzer 21. Der im Kessel 23 erzeugte Dampf gelangt durch die Leitungen 44 und 43 ebenfalls zum Dampfüberhitzer 21. Der aus diesem austretende überhitzte Dampf geht durch die Leitung 45 zur Dampfturbine 46. Hier erfolgt die leistungsabgebende Entspannung des Dampfes. Die dabei gewonnene Leistung wird von der Dampfturbine 46 an den Stromerzeuger 47 zwecks Erzeugung von elektrischer Energie weitergegeben. Der in der Dampfturbine 46 entspannte Dampf geht über die Leitung 57 in den Kondensator 48, in welchem er kondensiert wird. Das dabei anfallende Kondensat gelangt über die Leitung 49 zur Pumpe 50. Diese drückt es durch die Leitung 51 zum Speisewasservorwärmer 31. Von hier aus fließt das wiedererwärmte Kondensat zwecks Wiederverwendung als Speisewasser in die Leitung 54. Von dieser zweigen nacheinander die Leitungen 53, 55 und 56 ab, durch die der Kessel 23 sowie die beiden Teile des Abhitzekessels 22 und 40 mit Speisewasser versorgt werden.

Das nachfolgende Verfahrensbeispiel betrifft die Umsetzung von 1000 kg Rohkohle mit folgender Zusammensetzung:

	24 29 993
8,00 Gew.-%	CO₂
20,00 Gew.-%	co
59.36 Gew.-%	H₂
4,27 Gew.-o/o	N₂
l,00Gew.-%	5 CH₄
0,91 Gew.-%	H₂S
6,46 Gew.-%

Wasser

Asche

Diese Kohle wurde in der Kohlenvorbereitungsanlage 2 bis auf eine Restfeuchte von 1,5% H₂O getrocknet und gleichzeitig auf eine Korngröße von 90 μ aufgemahlen. Anschließend erfolgte in einem Kohlevergaser die Vergasung bei einer Temperatur von 1500⁰C und einem Druck von 1,05 ata. Die erforderliche Vergasungsluft in einer Menge von 3650 kg wurde mit einer Temperatur von 800⁰C und einem Druck von 2,06 ata dem Kohlevergaser zugeführt. Die Vergasungsluft enthielt gleichzeitig 60 kg Wasserdampf. Das im Kohlevergaser erzeugte trockene Gas hatte nach dem Austritt aus dem Abhitzekesselsystem 9 folgende Zusammensetzung:

4,48 Vol.-% 23,70 Vol.-%

9,37 Vol.-% 62,09 Vol.-%

0,10Vol.-%

0,26 Vol.-%

Die anfallende Gasmenge betrug dabei 4405 kg. Nachdem dieses Gas, wie weiter oben beschrieben, weiterbehandelt worden war, konnte der Gasturbine 25 durch die Leitung 24 heißes Rauchgas mit einer Temperatur von 920⁰C und einer Menge von 8450 kg sowie bei einem Druck von 11 ata zugeführt werden.

Gleichzeitig wurden durch die Leitung 45 der Dampfturbine 46 auf 530°C überhitzter Wasserdampf in einer Menge von 3705 kg und einem Druck von 180 ata zugeführt.

Die mit beiden Turbinen erzeugte Elektrizitätsmenge betrug insgesamt 2100 Kilowatt. Davon entfielen ca. 43% auf die Gasturbine 25, während der Rest durch die mit Dampf betriebene Dampfturbine 46 erzeugt wurde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie in einem kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit vorgeschalteter Kohlevergasungsanlage, die nach dem Prinzip der Gleichstromvergasung mit Sauerstoff und Wasserdampf arbeitet wobei das gewonnene Gas unter Erzeugung von Dampf in einem Abhitzekessel abgekühlt, anschließend entschwefelt, einer Brennkammer zugeführt und dort mit verdichteter und vorgewärmter Verbrennungsluft verbrannt wird, das Rauchgas einer Gasturbine zugeführt und das Abgas der Gasturbine zur Verbrennungsluftvorwärmung abgekühlt wird und der im Abhitzekessel sowie der in Dampferzeugerheizflächen der Brennkammer erzeugte Dampf sowohl einer Dampfturbine als auch der Kohlevergasungsanlage zugeführt wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Als Sauerstoffträger für die Kohlevergasung wird Luft verwendet, die über die Luftvorwärmerflächen (19) der Brennkammer (17) geleitet worden ist und eine Temperatur von 300—1000° C aufweist;

b) das gewonnene Gas wird zwischen der Kohlevergasungsanlage (8) und der Brennkammer (17) auf einen Druck von 5 bis 50 ata verdichtet;

c) das bei der Verbrennung in der Brennkammer (17) anfallende heiße Rauchgas wird zusätzlich zur Dampfüberhitzung herangezogen,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abkühlung des aus der Kohlevergasungsanlage (8) austretenden heißen Gases unter den Ascheschmelzpunkt kaltes Gas verwendet wird, welches nach Passieren des Abhitzekessels (9) durch eine Leitung (52) zurückgeführt und zwischen dem Austritt der Kohlevergasungsanlage (8) und dem Eintritt in den Abhitzekessel in den heißen Gasstrom eingeblasen wird.