DE2807326A1 - Verfahren und anlage zur brennstoffversorgung eines der spitzenstromerzeugung dienenden gas-dampfturbinenkraftwerkes - Google Patents

Verfahren und anlage zur brennstoffversorgung eines der spitzenstromerzeugung dienenden gas-dampfturbinenkraftwerkes

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Description

STEAG Aktiengesellschaft, Bismarckstr. 54, 4300 Essen
"Verfahren und Anlage zur Brennstoffversorgung eines der Spitzenstromerzeugung dienenden Gas-Dampfturbinenkraftwerkes"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brennstoffversorgung eines der Spitzenstromerzeugung dienenden Gas-Dampfturbinenkraftwerkes auf Kohle, insbesondere Steinkohlenbasis, wobei der Brennstoff durch autotherme Druckverga-sung von aufbereiteter Förderkohle mit Wasserdampf und Sauerstoff bzw. Luft erzeugt wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.
Im allgemeinen erzeugt man Spitzenstrom in älteren Kohlekraftwerken, in denen durch direkte Verbrennung der Einsatzkohle die Wärme freigesetzt und zur Dampferzeugung für Dampfturbinen eingesetzt wird,, mit denen Generatoren zur Stromerzeugung betrieben werden. Der Einsatz älterer Kraftwerke ergibt sich aus dem relativ kurzzeitigen Auftreten der Spitzenstrombelastung und aus der Überlegung, daß der verhältnismäßig schlechte Wirkungsgrad alter Kraftwerke unter solchen Umständen in Kauf genommen werden kann. Der Betrieb der Kraftwerke wirkt sich aber dennoch in erhöhten Kosten des Spitzenstromes aus. Nachteile entstehen auch für die Umwelt, weil in älteren Kohlekraftwerken meistens keine oder nur unzureichende Vorkehrungen gegen Umweltbe-
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einträchtigungen getroffen werden können. Insbesondere müssen Schadstoffemissionen in Form von Kohlenoxid, Stickoxiden, Rauch, Asche und Abwässern in beträchtlichem Umfang in Kauf genommen werden.
Wesentliche Vorteile bieten demgegenüber Gas-Dampfturbinenkraftwerke der eingangs bezeichneten Art. Sie beruhen vor allem auf der Druckvergasung, deren Vergasungsgas in sogenannten Kombiblöcken verströmt wird. Eine solche «alage hat einen druckgefeuerten Dampferzeuger, in dem das Vergasungsgas verbrannt wird. Die hierbei freiwerdende Wärme treibt die Dampfturbine an, welche mit einem Generator gekuppelt ist, der zur Stromerzeugung dient. Die teilweise abgekühlten Verbrennungsgase gelangen in den Expansionsteil· einer weiteren Gasturbine mit gekoppeltem" Generator und werden in dieser auf atmosphärischen Druck entspännt. Kombiblöcke dieser Art haben den Vorteil eines guten Wirkungsgrades.
Bislang werden solche Gas-Dampfturbinenkraftwerke in unmittelbarer Nähe des Druckvergasers und der ihm nachgeschalteten Gasreinigungsanlage errichtet. Da man andererseits die Druckvergasung zweckmäßig unmittelbar am Standort des Kraftwerkes bzw. der Kohlenförderanlage errichtet, ergibt sich der Standort des Gas-Dampfturbinenkraftwerkes in unmittelbarer Nähe der Lagerstätte von selbst. Deswegen muß der erzeugte Strom zu entfernteren Verbrauchern transportiert werden. Bekanntlich ist aber der Stromtransport mit erheblichen Kosten verbunden. Ein Engpaß
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bildet auch die Anzahl der Vergasungsanlagen je Kraftwerkseinheit. Da man die Vergasung dem Kombiblock unmittelbar vorschaltet, kann man die Vergasungsanlage nur entsprechend der Stromabnahme fahren. Das bedeutet eine ungleichmäßige Fahrweise, die außerdem zu einer Vermehrung der Vergasungsanlagen führt. Für die Spitzenstromerzeugung eignen sich daher bislang die beschriebenen Gas-Dampfturbinenkraftwerke nicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile dieser Gas-Dampfturbinenkraftwerke für die Spitzenstromerzeugung nutzbar zu machen, um insbesondere trotz der wegen der Spitzenbelastung unterschiedlichen Fahrweise der Korabiblöcke eine gleichmäßige Fahrweise der Gaserzeugungsanlage und ein gleichbleibend optimales Gasprodukt zu erreichen-.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß aus dem Versorgungsgas ein Rein-Methan-Starkgas und ein Synthese-Schwachgas oder Methanol erzeugt werden, und daß mindestens das Synthese-Schwachgas und das Methanol die Brennstoffversorgung des Kraftwerkes bilden, bei der das Methanol zwischengespeichert und bedarfsweise als Brennsotff eingesetzt wird.
Der Spitzenausgleich zwischen dem Kraftwerk und der Gaserzeugung erfolgt erfindungsgemäß demnach durch die Speicherung der im Vergasungsgas enthaltenen Energien in Form von Stoffen, die in den Zeiträumen erzeugt werden, in denen eine Stromabnahme entweder überhaupt nicht stattfindet oder nur einen Bruchteil der Vollast des Kraftwerkes erreicht. Daher braucht man die Gaserzeugung der Stromabnahme
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nicht mehr anzupassen. Erreicht die Stromabnahme Spitzenwerte, welche den Einsatz von mehr Energie erfordern, als sie im Synthesegas zur Verfügung gestellt werden, so kann man das Methanol einsetzen und dadurch die benötigte Zusatzenergie gewinnen.
Das in beiden Fällen erzeugte Rein-Methan (Erdgasqualität) mit einem Hu von z.B. 8.330 kcal/Nm (gegenüber einem Hu des CO + H2 - Synthesegas von 2.750 kcal/Nm und einem Hu von 4660 kcal/kg des Methanols in dem gewählten Beispiel) kann ebenfalls zur Erzeugung der Stromspitzen benutzt werden, wenn es als Austauschgas in ein vorhandenes Erdgasversorgungsnetz eingespeist wird.
Die Erfindung hat u.a. den Vorteil, daß sie die verbrauchernahe Errichtung des Kraftwerkes, also auch in beliebiger Entfernung von der Gaserzeugungsanlage und der Lagerstätte ermöglicht, weil der Transport des Methanols natürlich unproblematisch ist und für den Rohrtransport des Synthesegases eine Gasleitung -verhältnismäßig geringen Durchmessers genügt, was auf dem Gasdruck beruht, der bereits bei der Erzeugung des Vergasungsgases entsteht. Dieser Gasdruck ermöglicht seinerseits eine Gasspeicherung, die ihrerseits zur Vergleichmäßigung der Pahrweise auf der Gasseite ausgenutzt werden kann.
Die Einzelheiten, weiteren Merkmale und andere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Darstellung von Ausführungsformen anhand der Figuren in der Zeichnung; es zeigen
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Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Anlage mit einem Vergaser und mehreren Kraftwerken,
Fig. 2 schematisch eine Anlage zur Kohleumwandlung in Synthesegas oder Methanol,
Fig. 3 die Einzelheiten einer Kohledruckvergasung und Methanol-Synthese,
Fig. 4 einen Gas-Stammbaum, der von der Druckvergasung bis zur Methanol-Synthese reicht,
Fig. 5 die Energieversorgung bei der Druckvergasung und Synthese und
Fig. 6 tabellarisch die Lanzen der Anlage.
Insbesondere nach Fig. 1 wird Gasflammkohle mit "run of mine" ■ Qualität verarbeitetDas geschieht in konventionellen Druck-Gaserzeugern, die in Fig. 1 nur schematisch wiedergegeben sind. In diesen Apparaten wird der Brennstoff mit Sauerstoff und Wasserdampf als Vergasungsmittel sowohl vergast als auch pyrolytisch gespalten. Der Betriebsdruck liegt bei 4 0 bar (ü).
Das erzeugte Vergasungsgas (550° C — 600 ° C) passiert den Waschkühler als Quench-Kühler und danach einen Abhitzekessel (5 bar (ü) Sattdampf) und tritt bei etwa 140° C in die indirekten Kondensationsstufen ein.
Bis etwa 120° C fallen in allen der bezeichneten Stufen Wasser und Teer an, unterhalb 120° C bis auf 5° C über
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Kühlwassertemperatur fallen Wasser und öle aus.
Die flüssigen Kondensate trennt nach vorheriger Entspannung ein Parallelpiattenabsch-eider (CPI) in öl, Wasser und Teer. Ein Teil des Teeres geht als Rückführteer zum Gaserzeuger, der Rest dient fallweise in der Brennstoffaufbereitung als Bindemittel zu Kompaktierung des Unterkornes 0-3 mm der Rohrkohle, steht aber auch als Brennstoff für die Dampferzeugung zur Verfügung .
Nach der Kondensationsstufe hat das Gas die in Fig. tabellierte Zusammensetzung.
Die angelieferte Rohrkohle wird zunächst in einer Siebeinrichtung auf die Körnung über 3 mm klassiert.
Der Siebdurchlauf geht zur Kompaktiereinrichtung (Pelletieren, Brikettieren) und wird mittels Teer aus der Druckvergasung und Sulfitablauge auf 10 - 20 mm Körnung gebracht.
Das kompaktierte Gut passiert eine Härtung, die in 150° C Stickstoffstrom erfolgt. Der Stickstoff stammt aus der Luftzerlegung und wird mittels Dampf aufgeheizt. Sowohl der Siebrückstand als auch das kompaktierte Unterkorn werden im Tagesbunker gespeichert. Hierbei kommt je nach Anfall eine getrennte oder gemeinsame Lagerung in Betracht.
Das Rohrgas wird dann bei 230 - 205 K mit Methanol gewaschen. Hierbei werden alle Gasverunreinigungen,
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wie Gasbenzin, Rohbenzol, Ammoniak, Blausäure, organische Schwefelverbindungen, Schwefelwasserstoff, Kohlensäure und auch Harzbildner und Wasserdampf absorbiert. In verschiedenenStufen erfolgt dann durch Entspannen, Evakuieren und Erhitzen die Regeneration des Methanols. Die Kohlen-Wasserstoff-Fra-ktion enthält die Kohlenwasserstoffe und sonstigen Verunreinigungen, die H2S-Fra-.ktion geht zum Claus-Ofen. Das abgetrennte CO2 geht über Dach. Diese sogenannte Rectisolanlage ist in den Kälteteil der Gaszerlegung integriert, um die Wirtschaftlichkeit des Verfahrensganges zu verbessern, was aus der Spalte B der Fig. 4 ersichtlich ist.
Für die Zerlegung des Gases aus der Rectisolanlage ist eine Tieftemperatur-Trennanlage vorgesehen, wobei die H2- Fraktion· mit flüssigem Methan gewaschen wird. Dadurch kann in Temperaturbereichen um 100° K gearbeitet werden.
Die CH.-Fra-ktion hat Erdgasqualität, ein Teil wird dem internen Heizgasnetz zugeführt, was bei E bzw. F der Fig. 4 wiedergegeben ist.
über die Methanwäsche wird durch eine Mischgasrelelung das erforderliche CO-H2-Verhältnis 1 : 2 eingestellt, die endgültige Mischung erfolgt in der nachgeschalteten Frischgasverdichtung. Die Wasserstoffraktion verläßt die Gastrennanlage mit 30 atü, während die CO-Fraktion, CH4- und Restgasfraktionen unter Normaldruck bzw. leicht erhöhtem Druck anfallen; sie sind unter C in Fig. 4 wiedergegeben.
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Als Methanol-Synthese schlägt das Ausführungsbeispiel ein bekanntes Verfahren vor, welches unter etwa 60 atü arbeitet.
Frischgaskompression und Kreislaufgasverdichtung sind in einer Maschineneinheit zusammengefaßt.
Die Reaktionswärme aus dem Synthese-Reaktor wird zur Vergasungs-Dampfproduktion genutzt.
Das auskondensierte Roh-Methanol geht zu einem Vorratstank, welcher die nachgeschaltete zweistufige Destillation versorgt.
Sowohl das Restgas aus dem Reaktor als auch die Restgase der Destillation werden in das interne Heizgasnetz eingespeist. Aus der Destillation kommt das Rein-Methanol, welches dem Fertigtanklager oder der Pipeline zugeführt wird. Die Synthese ist unter D in Fig. 4 wiedergegeben.
In einer konventionellen Luftzerlegung wird die zur Vergasung notwendige Sauerstoff mit 96 % O2 erzeugt.
Alle Restgase werden zur Dampferzeugung genutzt, welche einem Frischdampfzustand von 116 bar und 525° C zugrundeliegt. Luftverdichter, O2-Kompressor, Kältemaschinen, Sythesegas-Verdichter und Schleusengas-Kompressor sind dampfangetrieben, der Gegendampf 35 bar, 241° C dient als Vergasungsdampf und der noch verbleibende Rest als Prozeßdampf für die Destillation, Kohleaufbereitung und Abwasserverarbeitung sowie sonstige Hilfseinrichtungen.
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Das Speisewasser stammt zu einem Teil aus der Abwasseraufbereitung und zum anderen Teil aus einer konventionellen Wasseraufbereitung.
Die HaS-Fraktion aus der Rectisolanlage arbeitet eiiE Claus-Anlage zu elementarem Schwefel um.
Der im Claus-Kessel erzeugte Dampf wird dem Niederdruck-Dampfprozeßnetz zugeführt.
Auf die Gewinnung der Abwasserinhaltsstoffe wird aus Kostengründen im Ausführungsbeispiel weitgehend verzichtet. Die organischen Komponenten werden nach bekanntem Verfahren abgetrennt bzw. biologisch abgebaut.
Es verbleiben im Abwasser noch die anorganischen Komponenten, welche thermisch als feste Rückstände gewonnen werden.
Das gereinigte Abwasser geht dann in die Speisewasseraufbereitung.
Aus der in Fig. 6 wiedergegebenen Stoff- und Wärmebilanz ergibt sich folgendes:
Eingebrachte Wärme 1.166,08 Gcal/h
direkt nutzbare Wärme aus Produkten (ausgelegte Positionen
summiert) ' 836,27 Gcal/h
oder 71,7 %.
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Aus der Stoff- und Wärmebilanz der Methanolfahrt, die unter 2 in Fig. 6 aufgeführt ist, ergibt sich folgendes:
Eingebrachte Wärme 1.166,08 Gcal/h
direkt nutzbare Wärme aus Produkten' (Ausgelegte Positionen summiert) . 749,16 Gcal/h
oder 64,2 %.
Im Ausführungsbeispiel werden jährlich rd. 1,6 Mio. Tonnen Kohle in 3.000 h/a für eine 640-MW-Einheit bereitgestellt .
Die Kohleumwandlungsanlage ist weitgehend energieautark, d.h. erzeugt Antriebs- und Prozeßdampf über eine eigene Dampferzeugung aus den Restgasen.
Die Vergasungsanlage ist in Fig. 1 allgemein mit 1 bezeichnet. Ihre Einzelheiten ergeben sich aus der vorstehenden Beschreibung der Fig. 2 bis 6. Mehrere Versorgungsleitungen führen sternförmig von der Vergasungsanlage 1 zu einzelnen Kraftwerken 5 - 7. Die Kraftwerke sind unter sich gleich ausgebildet, so daß es genügt, das Kraftwerk 6 näher zu erläutern:
Das aus der Leitung 3 über einen Absperrschieber 45 anstehende Sythesegas wird über eine arbeitsleistende Entspannungsturbine 10 geleitet, die das Gas auf den Betriebsdruck der Feuerung eines sogenannten druckgefeuerten Dampferzeugers 12 entspannt. Das Gas wird in diesem Dampferzeuger 12 verbrannt. Mit der dabei entstehenden Wärme wird in einem Wärmeaustauschersystem 13 Hochdruckdampf erzeugt, der die Dampf-
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turbine 14 antreibt, welche mit einem Generator 15 gekoppelt ist, der der Stromerzeugung dient. Die teilweise abgekühlten Rauchgase gelangen in einen Expansionsteil 16 einer Gasturbine und werden dort auf atmosphärischen Druck entspannt.
Der Expansionsteil der Gasturbine 16 treibt den Gasturbinen-Luftverdichter 17 an, der die für die Brennkammer des Dampferzeugers 12 benötigte Verbrennungsluft liefert. Im Ausführungsbeispiel wird mit der Überschußleistung der Gasturbine 16/17 ein Generator 18 angetrieben, der der Stromerzeugung dient.
Die bis dahin beschriebenen Anlageteile bilden einen sogenannten Kombiblock. Sobald über die Gasleitung kein Synthese-Gas ansteht, kann aus dem mit 46 bezeichneten und nur schematisch wiedergegebenen Tanklager Methanol entnommen und anstelle des Synthesegases verbrannt werden.
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Claims (5)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zur Brennstoffversorgung eines der Spitzenerzeugung dienenden Gas- Dampfturbinenkraftwerkes auf Kohle, insbesondere Steinkohlebasis., wobei der Brennstoff durch autotherme Druckverga-sung aus aufbereiteter Förderkohle mit Wasserdampf und Sauerstoff bzw. Luft erzeugt wird,
    dadurch gekennzeich ne t , daß aus dem Vergasungsgas ein Rein-Methan-Starkgas und ein Synthese-Schwachgas oder Methanol erzeugt werden, und daß mindestens das Synthese-Schwachgas und das Methanol die Brennstoffversorgung des Kraftwerkes bilden, bei der das Methanol zwischengespeichert und bedarfsweise als Brennstoff eingesetzt wird»
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,, daß das Starkgas einem Erdgasversorgungssystem aufgegeben wird, das als Speicher dient, aus dem Erdgas
    als Tauschgas entnommen wird»
    4/04
  3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tanklager (46) als Methanolspeicher verwendet wird, aus dem unabhängig von der Synthese Schwachgas- oder Methanolfahrt des Gasturbinen-Dampfkraftwerkes ·der für die Stromspitzen erforderliche Brennstoff entnommen wird.
  4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Synthese-Schwachgas durch erhöhten Druck des Vergasungsgases unter Druck in eine dem Synthesegastransport dienende Versorgungsleitung ( 2-4) eingespeist und die Leitung als Druckspeicher verwendet wird.
  5. 5. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch eine der Gaserzeugung nachgeschaltete Gasreinigung einer auf diese folgenden Gaszerlegung mit Abgängen für Reinmethan-Restgase und Synthesegas, wobei der Synthesegasabgang eine Verzweigung aufweist, deren einer Ast zu einer Methanol-Syntheseanlage führt und deren anderer Ast die Versorgungsleitung des Kraftwerkes bildet.
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