DE2907082A1 - FORCE PROCESS COMBINATION TO GENERATE TECHNICAL WORK - Google Patents
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Description
-S--S-
Titel der ErfindungTitle of the invention
Kraftprozeßkombination zur Erzeugung von technischer ArbeitCombination of force processes to generate technical work
Anwendung der ErfindungApplication of the invention
Die Erfindung betrifft eine Kombination von zwei Kraftprozessen mit verschiedenen Arbeitsmitteln, der indirekt Wärme, die durch Verbrennen von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen oder durch Kernreaktionen zur Verfügung steht, übertragen wird und die einen Teil der zugeführten Wärme als technische Arbeit abgibt. Die erfindungsgemäße Kraftprozeßkombination wird als Alternative für die in großer Zahl verwendeten Dampfkraft- und Gasturbinenprozesse sowie deren Kombinationen, die insbesondere in Kraftwerken als Antriebsverfahren für die Elektroenergieerzeugung eingesetzt werden, vorgeschlagen. Die erfindungsgemäße Kraftprozeßkombination kann auch zur Erfüllung anderer Antriebsaufgaben, z. B. im Fahrzeugbau, eingesetzt werden.The invention relates to a combination of two power processes with different working media, the indirect heat generated by Burning of solid, liquid or gaseous fuels or by nuclear reactions is available, is transmitted and which gives off part of the heat supplied as technical work. The force process combination according to the invention is as Alternative for the steam power and gas turbine processes used in large numbers and their combinations, which in particular are used in power plants as a drive method for generating electrical energy. The power process combination according to the invention can also be used to fulfill other drive tasks such. B. used in vehicle construction will.
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristics of the known technical solutions
Entsprechend den Erfahrungen mit dem II. Hauptsatz der Thermodynamik kann nur ein Teil der einem realen Kraftprozeß übertragenen bzw. im Prozeß freigesetzten thermischen Energie von diesem als technische Arbeit (Exergie) abgegeben werden, während z. Z. der größere Teil als Anergie an die Umwelt abgeführt werden muß. D. h., die Enthalpie der für den Betrieb der Kraftprozesse eingesetzten Brennstoffe wird nur zu 25 bis 45 % in technische Arbeit umgewandelt, während die abzuführende Anergie beträchtlich die Umwelt belastet. Durch ständige Verbesserung der in den Kraftprozessen eingesetzten Maschinentechnik konnten die innerenAccording to the experience with the second law of thermodynamics, only part of the thermal energy transferred to a real force process or released in the process can be given off as technical work (exergy), while z. Z. the greater part has to be discharged into the environment as anergy. This means that only 25 to 45% of the enthalpy of the fuels used to operate the power processes is converted into technical work, while the anergy to be dissipated has a considerable impact on the environment. Through constant improvement of the machine technology used in the power processes, the internal
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Verluste der Kraftprozesse in den letzten Jahrzehnten ständig herabgesetzt werden·Losses of the force processes in the last decades are steadily reduced
Die entscheidende Voraussetzung zur Verbesserung der Brennst off ausnutzung, charakterisiert durch das Verhältnis der abzugebenden technischen Arbeit zur Exergie des Brennstoffes (Heizwert des Brennstoffes), bei der Umwandlung von Primärenergie in technische Arbeit ist, daß die erforderliche thermische Energie mit einem möglichst hohen mittleren Temperaturniveau zur Verfugung gestellt und vom Kraftprozeß bei möglichst hohem mittleren Temperaturniveau aufgenommen wird, d. h., die durch die Wärmeübertragung verursachte endotherme Zustandsänderung des Arbeitsmittels im Kraftprozeß muß bei möglichst hohen mittleren Temperaturen ablaufen.The decisive prerequisite for improving the fuel utilization, characterized by the ratio of the fuel to be dispensed Technical work on the exergy of the fuel (calorific value of the fuel) in the conversion of primary energy in technical work is that the required thermal energy with the highest possible average temperature level made available and absorbed by the force process at the highest possible average temperature level, d. h., the Endothermic change in state of the working medium in the power process caused by the heat transfer must be as high as possible medium temperatures.
Dieser grundsätzlichen thermodynamischen Forderung entsprechen solche in den Kraftprozessen realisierten Maßnahmen, wie Vorwärmung der Verbrennungsluft, Trocknung wasserhaltiger Brennstoffe, Absenkung des Luftüberschusses bei der Verbrennung der Brennstoffe, regenerative Speisewasservorwärmung und Zwischenüberhitzung der im Kraftprozeß verwendeten Arbeitsmittel. Da die inzwischen zur Verfugung stehenden Werkstoffe für ungekühlte Schaufeln nach Traupel (Thermische Turbomaschinen, Springer-Verlag, Berlin - Göttingen - Heidelberg (1958), 1. und 2O Band) Turbineneingangstemperaturen um 900 0C ermöglichen, wurden ebenfalls mit dem Ziel Anhebung der mittleren Temperatur der Wärmezufuhr und zur Reduzierung der erforderlichen Druckdifferenz beim Expansionsprozeß geschlossene und offene Kraftprozesse kombiniert. So ist zum Beispiel eine Kraftprozeßkombination bekannt, bei der die physikalische Enthalpie der Brennstoffe hauptsächlich an einen Quecksilberdampfprozeß übertragen wird, während die Kondensationswärme des "Quecksilberdampfes nach Expansion zur Dampferzeugung an einen Wasserdampfkraftprozeß übertragen wird (Wukalowitsch, M. P., Technische thermodynamik, VEB Pachbuchverlag Leipzig (1962)).This fundamental thermodynamic requirement is met by measures implemented in the power processes, such as preheating of the combustion air, drying of hydrous fuels, lowering the excess air during the combustion of the fuels, regenerative feed water preheating and reheating of the equipment used in the power process. Since the materials now available for uncooled blades according to Traupel (Thermal Turbomaschinen, Springer-Verlag, Berlin - Göttingen - Heidelberg (1958), 1st and 2 O volume) enable turbine inlet temperatures of around 900 ° C., the aim was also to increase the mean temperature of the heat supply and to reduce the required pressure difference in the expansion process, closed and open force processes combined. For example, a power process combination is known in which the physical enthalpy of the fuels is mainly transferred to a mercury vapor process, while the heat of condensation of the "mercury vapor after expansion to generate steam is transferred to a water vapor power process (Wukalowitsch, MP, Technische thermodynamik, VEB Pachbuchverlag Leipzig (1962 )).
In letzter Zeit wurden Kraftprozeßkombinationen vorgeschlagen, bei denen einem Wasserdampfkraftprozeß Gasturbinenprozesse vorgeschaltet sind. In diesen lallen erfolgt die Wärmeübertragung vom Arbeitsmittel des Gasturbinenprozesses an den Wasserdampfkraftprozeß wie folgt:Combinations of power processes have recently been proposed in which gas turbine processes are connected upstream of a steam power process are. In these lalls the heat is transferred from the working fluid of the gas turbine process to the steam power process as follows:
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a) Durch Verbrennen fossiler Brennstoffe unter Druck wird das Arbeitsmittel für einen offenen Gasturbinenprozeß erzeugt. Nach Expansion wird ein Teil der noch arbeitsfähigen physikalischen Enthalpie des Verbrennungsgases an den Wasserdampfprozeß übertragen. Die maximale Gasturbineneingangstemperatur wird gesichert durch eine Verbrennung der Brennstoffe mit großem Luftüberschuß (Luftzahl λ = 3 bis 6, so daß bis zu 60 % der erzeugten technischen Arbeit wieder für die Luftverdichtung verbraucht werden) und/oder durch Kühlung der Verbrennungsgase vor der Gasturbine. a) The working fluid for an open gas turbine process is generated by burning fossil fuels under pressure. After expansion, part of the still functional physical enthalpy of the combustion gas is transferred to the water vapor process. The maximum gas turbine inlet temperature is ensured by burning the fuels with a large excess of air (air ratio λ = 3 to 6, so that up to 60 % of the technical work generated is used again for air compression) and / or by cooling the combustion gases in front of the gas turbine.
b) Zur Vermeidung des hohen Eigenverbrauches an technischer Arbeit für die Luftverdichtung werden die fossilen Brennstoffe unter Druck mit Luft autotherm vergast, das entstehende Generatorgas wird als Brenngas in einer ETiederdruckfeuerung eines Dampfkraftprozesses eingesetzt (Informationen für die Gaswirtschaft, BrennstoffInstitut Freiberg, 7/1977/1, S. 1 - 12).b) To avoid the high internal consumption of technical work For air compression, the fossil fuels are autothermally gasified under pressure with air, the resulting generator gas is used as fuel gas in a low-pressure combustion of a steam power process used (information for the gas industry, fuel institute Freiberg, 7/1977/1, p. 1 - 12).
Obwohl durch die bekannten Kraftprozeßkombinationen gegenüber dem Wasserdampfkraftprozeß die mittlere Temperatur der Wärmeübertragung an den Kraftprozeß angehoben werden kann, sind insbesondere aus thermodynamischer Sicht Ansatzpunkte für die weitere Verbesserung der Brennstoffausnutzung gegebene Beim Quecksilber/Wasserdampfprozeß wird das Niveau der mittleren Temperatur der Wärmezufuhr besonders durch die Siedetemperaturen des Quecksilbers bestimmt, die im technischen Betrieb zwischen 500 und 550 0C realisiert werden können, wenn die erforderlichen Quecksilbermengen ökonomisch zur Verfügung stehen. Bei den bekannten Prozeßkombinationen mit vorgeschaltetem Gasturbinenprozeß wird die mittlere Temperatur der Wärmezufuhr durch die rein physikalische, endotherme Zustandsänderung des Arbeitsmittels im Gasturbinenprozeß, die annähernd isobar verläuft, entscheidend beeinflußt.Although the mean temperature of the heat transfer to the power process can be raised by the known power process combinations compared to the steam power process, starting points for further improvement of the fuel efficiency are given, especially from a thermodynamic point of view Mercury determined, which can be realized in technical operation between 500 and 550 0 C, if the required quantities of mercury are economically available. In the known process combinations with an upstream gas turbine process, the mean temperature of the heat supply is decisively influenced by the purely physical, endothermic change in state of the working medium in the gas turbine process, which is approximately isobaric.
Im Falle der Verwendung von Druckvergasungsgas als Arbeitsmittel im Gasturbinenprozeß wird zwar Verdichterleistung im Gasturbinenprozeß eingespart, der Anteil des Gasturbinenprozesses an der Gesamtleistung der Prozeßkombination ist aber gering, da nur die physikalische Enthalpie des Vergasungsgases im Gastur-In the case of the use of pressurized gasification gas as a working medium in the gas turbine process, compressor output is indeed achieved in the gas turbine process saved, but the share of the gas turbine process in the total output of the process combination is low because only the physical enthalpy of the gasification gas in the gas turbine
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binenprozeß in technische Arbeit umgewandelt werden kann, während die chemische Enthalpie des Vergasungsgases nach dem Verbrennungsvorgang im KOrmaldruckbereich, wie beim einfachen Wasserdampfprozeß, unter bedeutendem Exergieverlust an den Wasserdampfkraftprozeß übertragen wird·binenprocess can be converted into technical work, while the chemical enthalpy of the gasification gas after the combustion process in the kormal pressure range, as in the simple water vapor process, with significant exergy loss to the steam power process is transmitted
Ziel der ErfindungObject of the invention
Die Erfindung hat das Ziel, den spezifischen Verbrauch an Primärenergie pro Einheit abzugebender technischer Arbeit und damit den Anteil abzuführender Anergie sowie den maschinentechnischen Aufwand zu senken.The invention has the goal of the specific consumption of primary energy Technical work to be submitted per unit and thus the proportion of anergy to be dissipated as well as the machine-technical work Reduce effort.
Darstellung des Wesens der ErfindungRepresentation of the essence of the invention
Die Erfindung setzt den mit der Entwicklung der Kraftprozeßkombinationen, bestehend aus Gasturbinen- und Dampfkraftprozeß, eingeschlagenen verfahrenstechnischen Weg fort. Das Ziel der Erfindung wird dabei erreicht, indem bei gleichbleibender Gasturbineneingangstemperatur das mittlere Temperaturniveau der Wärmezufuhr zur Prozeßkombination weiter erhöht und damit als technische Aufgabe gelöst wird.The invention continues with the development of the force process combinations, consisting of gas turbine and steam power processes, the process engineering route taken. The goal of the The invention is achieved by maintaining the gas turbine inlet temperature the mean temperature level of the heat supply to the process combination increased further and thus than technical problem is solved.
Das grundsätzliche Merkmal der Erfindung besteht deshalb darin, daß anstelle der rein physikalischen, endothermen und isobaren Zustandsänderung des Arbeitsmittels eine annähernd bei konstantem Druck unter Volumenzunahme ablaufende endotherme, chemische Reaktion eines Gas- bzw· Gas/Dampf-Gemisches im Gasturbinenprozeß realisiert wird. Das hat zur Folge, daß die gesamte, der Prozeßkombination zugeführte Wärme an das Arbeitsmittel des Gasturbinenprozesses übertragen werden kann und dadurch eine Erhöhung der physikalischen, aber auch der chemischen Enthalpie des Arbeitsmittels erreicht wird. Die durch die Wärmeübertragung unter Volumenzunahme ablaufende isobare chemische Reaktion ist mit einer thermischen Kompression vergleichbar, da nach Abgabe von technischer Arbeit durch Expansion die exotherme Rückreaktion bei gegenüber der Hinreaktion abgesenkten Drücken und Temperaturen unter Volumenabnahme abläuft, so daß nach Abgabe der Reaktionswärme der Rückreaktion an einen nachgeschalteten Wasserdampfkraftprozeß nur die volumenverminderten Reaktionsprodukte der Rückreaktion zur Wiederholung des Kreisprozesses auf den Druck der Hinreaktion mechanisch verdichtet werden müssen.The basic feature of the invention is therefore that instead of the purely physical, endothermic and isobaric Change in the state of the working medium is an endothermic, chemical process that takes place at almost constant pressure with an increase in volume Reaction of a gas or gas / steam mixture is realized in the gas turbine process. As a result, the entire, the Process combination heat supplied to the working fluid of the gas turbine process can be transferred and thereby an increase in the physical, but also the chemical enthalpy of the work equipment is reached. The isobaric chemical reaction that takes place as a result of the heat transfer with an increase in volume is comparable to thermal compression, since after the technical work has been completed, the exothermic reverse reaction is caused by expansion at pressures and temperatures that are lower than the forward reaction, with a decrease in volume, so that after delivery the heat of reaction of the reverse reaction to a downstream steam power process only the volume-reduced reaction products the reverse reaction to repeat the cycle must be mechanically compressed to the pressure of the forward reaction.
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Durch Berechnung des thermodynamischen Systems Kohlenstoff Wasserstoff - Sauerstoff wurde gefunden, daß die zur Synthesegaserzeugung eingesetzten und zur Gestaltung von Fernenergiesystemen vorgeschlagenen Methan-Wasserdampf-Gemische das theoretische Merkmal der Erfindung erfüllen und als technische Arbeitsmittel für den Gasturbinenprozeß einer Kraftprozeßkombination geeignet sind.By calculating the thermodynamic system carbon hydrogen - Oxygen was found to be the one used for synthesis gas generation and for the design of remote energy systems proposed methane-water vapor mixtures meet the theoretical feature of the invention and as technical Working equipment for the gas turbine process of a power process combination are suitable.
Als erfindungsgemäße technische Lösung wird deshalb ein Verfahren vorgeschlagen, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:As a technical solution according to the invention, a method is therefore proposed which is carried out by the following method steps is marked:
1. Verfahrensschritt1st process step
Einem hauptsächlich aus Methan und Wasserdampf bestehenden Gemisch, das unter Drücken von 5 bis 50 at steht und einem Molverhältnis CH. zu HpO von 1 zu 1,5 bis 4,0 entspricht, wird im Temperaturbereich zwischen 300 bis 1000 0C Wärme indirekt übertragen» 3?ür die Wärmeübertragung wird physikalische Enthalpie eines aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen stammenden Verbrennungsgases oder eines Kühlmediums aus Hochtemperaturkernreaktorkreisläufen genutzt.A mixture consisting mainly of methane and water vapor, which is under pressures of 5 to 50 atm and a molar ratio of CH. corresponds to HpO of 1 to 1.5 to 4.0, heat is indirectly transferred in the temperature range between 300 to 1000 0 C »3? The heat transfer uses the physical enthalpy of a combustion gas from the combustion of fossil fuels or a cooling medium from high-temperature nuclear reactor circuits .
Die Methan-Wasserdampfspaltung läuft entsprechend der chemischen GleichungThe methane-water vapor splitting takes place according to the chemical equation
CH. + H2O^=ACO + 3 H2,CH. + H 2 O ^ = ACO + 3 H 2 ,
bezogen auf die eingesetzten Reaktanten, mit einer Molvolumenzunahme von 1 zu 2, bzw., bezogen auf das eingesetzte Methan, von 1 zu 4 ab» Durch den zur Vermeidung von Kohlenstoffabscheidungen erforderlichen WasserdampfÜberschuß und die von Temperatur und Druck abhängige, praktisch erreichbare Spaxtgaszusammensetzung verringert sich bei der technischen Anwendung dieses Molvolumenverhältnis. Zur wextestgehenden Annäherung der Reaktionsergebnisse an die theoretischen Möglichkeiten ist es erforderlich, die beschriebene Spaltreaktion im Beisein eines Katalysators durchzuführen.based on the reactants employed, with a Molvolumenzunahme of 1 to 2, respectively, based on the charged methane, from 1 to 4 from "The to prevent carbon deposits required excess of water vapor and, practically achievable Sp a xtgaszusammensetzung dependent of temperature and pressure This molar volume ratio is reduced in the technical application. In order to approximate the reaction results as closely as possible to the theoretical possibilities, it is necessary to carry out the described cleavage reaction in the presence of a catalyst.
Die Wärmeübertragung ist im Gegenstrom zu realisieren, so daß das Spaltgas den Wärmeübertrager, der dem heute bekannten Steamreformingofen ähnlich sein kann, mit der maximal zulässigen Eingangstemperatur der nachgeschalteten Gasturbine verläßt.The heat transfer is to be realized in countercurrent, so that the cracked gas is the heat exchanger that the steam reforming furnace known today can be similar, with the maximum admissible inlet temperature of the downstream gas turbine leaves.
2. Verfahrensschritt2nd process step
Das unter Drücken von 5 bis 50 at stehende heiße Spaltgas - dieThe hot cracked gas under pressures of 5 to 50 at - the
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heute zur Verfugung stehenden V/erkstoffe ermöglichen Gastemperaturen um 900 C - wird in einer Gasturbine ein- oder mehrstufig auf 1 Ms 15 at entspannt. Bei mehrstufiger Entspannung wird dem Spaltgas zur weitergehenden Aufspaltung des Methans und Wasserdampfes zwischen den Gasturbinenstufen zusätzlich Wärme indirekt übertragen. Die in der Gasturbine durch Absenkung der physikalischen Enthalpie des Spaltgases erzeugte technische Arbeit wird aus dem Prozeß abgeführt.The materials available today enable gas temperatures around 900 C - is expanded in a gas turbine in one or more stages to 1 Ms 15 atm. With multi-level relaxation is added to the cracked gas for further splitting of the methane and water vapor between the gas turbine stages Transfer heat indirectly. In the gas turbine by lowering the physical enthalpy of the fission gas generated technical work is removed from the process.
3. Verfahrensschritt3rd process step
Das Spaltgas wird nach der Gasturbine mit Temperaturen zwischen 300 und 600 0C und Drücken zwischen 1 und 15 at in eine katalytisch arbeitende Methanisierung gefahren. Hier wird das hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenoxid enthaltende Spaltgas unter Volumenabnahme exotherm und weitgehend isobar wieder in ein hauptsächlich Methan und Wasserdampf enthaltendes Gemisch chemisch durch die bekannten Methanisierungsreaktionen umgewandelt. Der Aufspaltungsgrad des Methans und des Wasserdampfes im ersten Verfahrensschritt - gegebenenfalls mit zusätzlicher Spaltung zwischen den Gasturbinenstufen - und die Druckabsenkung im 2. Verfahrensschritt sind so aufeinander abzustimmen, daß unter Beachtung der Aktivität der zur Verfügung stehenden Katalysatoren die Methanisierungsreaktion zwischen 300 und 600 0C abläuft. Damit sind die Voraussetzungen gegeben, daß die Reaktionsenthalpie der Methanisierungsreaktion zur Wasserdampferzeugung und -überhitzung im nachgeschalteten Wasserdampfkraftprozeß eingesetzt werden kann.After the gas turbine, the cracked gas is fed into a catalytically operating methanation at temperatures between 300 and 600 ° C. and pressures between 1 and 15 atm. Here, the cracked gas, which mainly contains hydrogen and carbon oxide, is converted again exothermically and largely isobarically into a mixture mainly containing methane and water vapor by means of the known methanation reactions, with a decrease in volume. The degree of splitting of the methane and the steam in the first process step - possibly with additional splitting between the gas turbine stages - and the pressure reduction in the second process step are to be coordinated so that the methanation reaction takes place between 300 and 600 ° C., taking into account the activity of the available catalysts . The prerequisites are thus met so that the enthalpy of reaction of the methanation reaction can be used to generate and superheat steam in the downstream steam power process.
4. Verfahrensschritt4th procedural step
Die physikalische Enthalpie des nach der Methanisierung vorliegenden Gas-Wasserdampf-Gemisches wird indirekt an das Speisewasser des nachgeschalteten Wasserdampfkraftprozesses oder andere Wärmebedarfsträger übertragen. Dabei gibt es innerhalb des 4· Verfahrensschrittes zwei grundsätzliche Möglichkeiten der Prozeßführung.The physical enthalpy of what is present after methanation Gas-water vapor mixture is indirectly fed to the feed water of the downstream water vapor power process or others Transfer heat demand carriers. There are two basic possibilities within the 4 · process step of litigation.
Die erste Möglichkeit besteht darin, daß das nach der Methanisierung vorliegende Methan-Wasserdampf-Gemisch bis zur Kondensationstemperatur des Wasserdampfes gekühlt, das Gas-Wasserdampf-Gemisch danach mechanisch auf den Prozeßdruck des ersten Ver-The first possibility is that after methanation present methane-water vapor mixture is cooled to the condensation temperature of the water vapor, the gas-water vapor mixture then mechanically to the process pressure of the first
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fahrensschrittes verdichtet und diesem wieder zugeführt wird, während die zweite Möglichkeit darin besteht, durch weitergehende Kühlung den Wasserdampf zu kondensieren· Bei einem offenen Gasturbinensystem kann dann das hauptsächlich Methan enthaltende Gasgemisch ohne oder mit mechanischer Verdichtung einem nachfolgenden Gasversorgungssystem zugeführt werden. Bei einem geschlossenen Gasturbinensystem kann dagegen nach der Kondensation des Wasserdampfes das hauptsächlich Methan enthaltende Gasgemisch mechanisch auf den Prozeßdruck des ersten Verfahrensschrittes verdichtet werden, so daß durch Zumischung von Entnahmedampf aus dem nachgeschalteten Wasserdampf kraftprozeß nach der mechanischen Verdichtung wieder das Eingangsgas-Wasserdampf-Gemisch für den ersten Verfahrensschritt zur Verfügung steht· driving step is condensed and fed back to it, while the second possibility is through more extensive Cooling to condense the water vapor · In an open gas turbine system this can mainly be methane containing gas mixture are fed to a downstream gas supply system with or without mechanical compression. In the case of a closed gas turbine system, on the other hand, after the condensation of the water vapor, it is mainly methane that can be used containing gas mixture are mechanically compressed to the process pressure of the first process step, so that by Admixture of extraction steam from the downstream steam power process after the mechanical compression The input gas / steam mixture is available for the first process step
AusführungsbeispielEmbodiment
Die Erfindung wird für den Anwendungsfall eines auf Braunkohlenbasis arbeitenden Wärmekraftwerkes beschrieben. Als Brennstoff steht dem Kraftwerk Förderrohbraunkohle mit 60 Masse-% Wasser und folgender Analyse zur Verfügung:The invention is applied to the application of a lignite base working thermal power plant described. The power plant has raw lignite with 60 mass% water and the following analysis available as fuel:
Aus dieser Analyse errechnet sich für die Förderrohbraunkohle eine Verbrennungswärme Vw = 2290 kcal/kg und ein Heizwert Hu = 1831 kcal/kg.From this analysis, a heat of combustion Vw = 2290 kcal / kg and a calorific value are calculated for the raw lignite Hu = 1831 kcal / kg.
Die Beschreibung des Prozesses bezieht sich auf einen Verbrauch an Förderrohbraunkohle mu- = 2,25 kg mit einem Hu = 4120 kcal· Der experimentell ermittelbare Heizwert der eingesetzten Kohle soll 4320 kcal betragen®The description of the process refers to a consumption of raw lignite mu = 2.25 kg with a Hu = 4120 kcal · The experimentally determinable calorific value of the used Coal is said to be 4320 kcal®
Durch Mahlung und Trocknungj, für die eine technische Arbeit = 30 kcal und eine Wärmeenergie qKT = 850 kcal mit einemBy grinding and dryingj, for which a technical work = 30 kcal and a thermal energy q KT = 850 kcal with a
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-AO--AO-
Temperaturniveau von 75 bis 105 0C erforderlich sind, werden die 2,25 kg Pörderrohbraunkohle zuTemperature level of 75 to 105 0 C are required, the 2.25 kg of raw lignite will be added
1,00 kg Braunkohlenstaub mit 10 Masse-% Wasser (Bk-Q)1.00 kg lignite dust with 10% by mass water (Bk-Q)
und einer Gesamtenthalpie h = 5400 kcal/kg Bk1Q aufbereitet. Der Braunkohlenstaub wird nach bekannten Vergasungsverfahren mit regenerativ auf 600 0O vorgewärmter Luft, z. B. im Schlackenbad, vergast. Die Kennwerte des Vergasungsverfahrens sollen folgende sein:and a total enthalpy h = 5400 kcal / kg Bk 1 Q processed. The lignite dust is according to known gasification processes with regeneratively preheated air to 600 0 O, z. B. in the slag bath, gasified. The characteristic values of the gasification process should be as follows:
Generatorgasanalyse:Generator gas analysis:
co2 co 2
CO
H2O
H2
CH,CO
H 2 O
H 2
CH,
VwVw
4,2 Vol.-%4.2% by volume
29,0 "29.0 "
2,1 "2.1 "
18,5 "18.5 "
0,5. "0.5. "
45,7 "45.7 "
1488 kcal/m3 1488 kcal / m 3
xx)xx)
Das heiße Generatorgas wird in einem Steamreformingofen mit 3,35 m3 Luft/kg Bk10, die ebenfalls regenerativ auf 600 0C vorgewärmt wurde, entsprechend einer Luftzahl Λ= 1,05 vollständig verbrannt.The hot generator gas is completely burned in a steam reforming furnace with 3.35 m 3 air / kg Bk 10 , which has also been regeneratively preheated to 600 ° C., corresponding to an air ratio Λ = 1.05.
Das Verbrennungsgas wird mit 625 C aus dem Steamreformingofen gefahren und zur regenerativen Vorwärmung der Vergasungs-The combustion gas is driven out of the steam reforming furnace at 625 C and is used for regenerative preheating of the gasification
Die Schwefelverbindungen werden vernachlässigt, da sie keinen Einfluß auf den Effekt der Erfindung haben. Alle Volumenangaben sind auf einen Zustand 760 Torr undThe sulfur compounds are neglected because they have no influence on the effect of the invention. All volume data are based on a condition of 760 Torr and
0 C bezogen·0 C related
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-M--M-
und Verbrennungsluft eingesetzt. Kohlenaufbereitung und -vergasung sowie Steamreformingofen sollten unter Beachtung der technischen Verluste mit einem Gesamtwirkungsgrad von 83,56 % arbeiten, so daß im Steamreformingofen zur Realisierung des erfindungsgemäßen ersten Verfahrensschrittes q = 4479 kcal/kg Bk10 an das Methan/Wasserdampf-Gemisch im Temperaturbereich von 600 bis 900 0C übertragen werden kann· Im Beispiel wird ein thermodynamisch geschlossener Gasturbinenprozeß verwendet· Dabei sollen der erfindungsgemäße erste und zweite Verfahrensschritt zweistufig arbeiten· Der ersten Spaltstufe im Steamreformingofen wird ein Gas-/Wasserdampf-Gemisch (RG) entsprechend einem Molverhältnis CH- zu HpO von 1 zu 2 mit folgenden Kennwerten zugeführt:and combustion air is used. Coal preparation and gasification as well as steam reforming furnace should work with an overall efficiency of 83.56%, taking into account the technical losses, so that in the steam reforming furnace for the implementation of the first process step according to the invention q = 4479 kcal / kg Bk 10 of the methane / steam mixture in the temperature range of 600 to 900 0 C can be transferred · In the example a thermodynamically closed gas turbine process is used · The first and second process step according to the invention should work in two stages to HpO from 1 to 2 with the following parameters:
RaumanteilSpace share
wXl * ride
wXl *
Durch die indirekte Wärmeübertragung in der ersten Spaltstufe soll, begrenzt durch das zur Verfugung stehende Rohrmaterial, das thermische Gleichgewicht entsprechend 825 Cj 40 at durch die katalytische Methan-Wasserdampf-Spaltreaktion an bekannten Uickelkatalysatoren erreicht werden, so daß 6,546 rar Spaltgas (SG 1) mit folgenden Kennwerten den Steamreformingofen verlassen: Due to the indirect heat transfer in the first cracking stage, limited by the available pipe material, the thermal equilibrium corresponding to 825 Cj 40 at should be achieved through the catalytic methane-water vapor cracking reaction on known Uickel catalysts, so that 6.546 rare cracking gas (SG 1) with the following parameters leave the steam reforming furnace:
Analyse des SG 1!Analysis of SG 1!
Temperatur:Temperature:
Druck: 40 atPressure: 40 at
In der ersten. Stufe des erfindungsgemäßen zweiten Verfahrensschrittes, der Gasturbine, leistet das Spaltgas bei einem Tur- In the first. Stage of the second process step according to the invention, the gas turbine, makes the cracked gas at a tur-
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-43--43-
binenwirkungsgrad von η ±s GT = 0,92 die technische Arbeit W^GT 1 = ~ ^® ^cal/kg ^io "1^ verläßt die erste Stufe der Gasturbine mit 12,62 at und 600 0C.turbine efficiency of η ± s GT = 0.92 the technical work W ^ GT 1 = ~ ^ ® ^ cal / kg ^ io " 1 ^ leaves the first stage of the gas turbine with 12.62 at and 600 0 C.
Nach der ersten Stufe der Gasturbine wird das SG 1 zum Steamreformingofen zurückgefahren und dort durch Wärmeübertragung weiter gespalten, so daß 7,646 nr Spaltgas (SG 2)/kg Bk-Q den Steamreformingofen verlassen und mit folgenden Kennwerten die zweite Stufe der Gasturbine erreichen:After the first stage of the gas turbine, the SG 1 becomes a steam reforming furnace retracted and further split there by heat transfer, so that 7.646 nr cracked gas (SG 2) / kg Bk-Q den Leave the steam reforming furnace and reach the second stage of the gas turbine with the following parameters:
Durch Expansion auf 2,0 at in der zweiten Stufe der Gasturbine kann das SG 2 bei einem Turbinenwirkungsgrad ii . _ = 0,92 die technische Arbeit wtGT 2 = ~ 1121 kcal/kg Bk^0 verrichten.By expanding to 2.0 at in the second stage of the gas turbine, the SG 2 with a turbine efficiency of ii. _ = 0.92 do the technical work wt GT 2 = ~ 1121 kcal / kg Bk ^ 0 .
Nach der zweiten Stufe der Gasturbine wird das SG 2 mit 2 at und 517 0C entsprechend dem dritten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt zur Methanisierung gefahren und bei einem Druck zwischen 1,95 und 2,0 at und im Temperaturbereich zwischen 350 und 620 0C an bekannten Katalysatoren zu der für die erste Stufe des ersten Verfahrensschrittes erforderlichen Zusammensetzung (RG) methanisiert.After the second stage of the gas turbine, the SG 2 is run at 2 atm and 517 ° C. in accordance with the third process step according to the invention for methanation and at a pressure between 1.95 and 2.0 atm and in the temperature range between 350 and 620 ° C. on known catalysts methanated to the composition (RG) required for the first stage of the first process step.
Das mit 350 0C und 1,95 at aus der Methanisierung austretende Rückgas wird entsprechend dem erfindungsgemäßen vierten Verfahrensschritt bis zum Beginn der Wasserdampfkondensation bei tK = 105 0C zur Vorwärmung des Speisewassers des nachgeschalteten Wasserdampfkraftprozesses auf 345 0C- eingesetzt. Die physikalische Enthalpie des Rückgases zwischen 75 und 105 0C entsprechend qKT =850 kcal/kg Bk10 wird zur Trocknung der JTörderrohbraunkohle und zwischen 25 und 75 0C zur Speisewasservorwärmung von 25 auf 70 0C sowie zur Warmwassererzeugung verwendet.The fourth process step according to the invention at 350 0 C and 1.95 at from the methanation exiting the return gas is used 105 0 C for preheating the feed water of the downstream water vapor combustion process at 345 0 C until the onset of condensation of water vapor at t K = accordingly. The physical enthalpy of the gas return 75-105 0 C q corresponding KT = 850 kcal / kg Bk 10 is used for drying the JTörderrohbraunkohle and between 25 and 75 0 C for feed water of 25 to 70 0 C and to produce hot water.
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Nach. Abschluß der Kühlung des Rückgases ist der Wasserdampfanteil des Rückgases weitestgehend auskondensiert, so daß nur noch 1,977 nr RG^/kg Bk10 mit folgender ZusammensetzungTo. At the end of the cooling of the return gas, the water vapor content of the return gas is largely condensed, so that only 1.977 nr RG ^ / kg Bk 10 with the following composition
CH. = 0,778 RaumanteileCH. = 0.778 spatial proportions
H2 = 0,162 »H 2 = 0.162 »
CO2 = 0,040 "CO 2 = 0.040 "
H2O = 0,020 "H 2 O = 0.020 "
von 1,95 auf 40,95 at verdichtet werden müssen. Bei einstufiger Verdichtung und einem Wirkungsgrad des Verdichters % . = 0,85 wird dafür die technische Arbeitmust be compressed from 1.95 to 40.95 at. With single-stage compression and an efficiency of the compressor %. = 0.85 is the technical work
xs'Verd.
wtKompr# = 288 kcal/kg Bk10 verbraucht. xs ' Verd.
wt Kompr # = 288 kcal / kg Bk 10 consumed.
Der geschlossene Gasturbinenprozeß kann also die technische ArbeitSo the closed gas turbine process can do the technical work
W+ = - w. - W+ +W+ TGT TGT 1 15GT 2 ^Kompr.W + = - w. - W + + W + T GT T GT 1 15 GT 2 ^ Compr.
= - 1453 kcal/kg Bk10 = - 1453 kcal / kg Bk 10
abgeben.hand over.
Bach der Verdichtung wird dem RG+ der auskondensierte Anteil des Prozeßdampfes m-pr ρ = 2,431 kg/kg Bk10 wieder zugemischt. Diese Dampfmenge wird dem nachgeschalteten Dampfkraftprozeß bei einem Druck ρ =41 at und einer Enthalpie h2 = 680,6 kcal/kg HgOjj entnommen.After the compression, the condensed portion of the process steam mp r ρ = 2.431 kg / kg Bk 10 is mixed back into the RG +. This amount of steam is taken from the downstream steam power process at a pressure ρ = 41 at and an enthalpy h 2 = 680.6 kcal / kg HgOjj.
Das nun mit der Startzusammensetzung wieder vorliegende Rückgas wird durch Methanisierungswärme auf 600 0C vorgewärmt und dem
Steamreformingofen erneut zugeführt.
Damit ist der Gasturbinenprozeß geschlossen. Die Wärmebilanz des Gasturbinenprozesses ergibt, daß außer
w-tjnrn noch der restliche Teil der Reaktionsenthalpie der Methanisierung
im Temperaturbereich von 350 bis 600 0OThe now again present with the starting composition of the return gas is preheated by Methanisierungswärme to 600 0 C and fed to the Steamreformingofen again.
The gas turbine process is thus closed. The heat balance of the gas turbine process shows that except w-tjnrn nor the remaining part of the enthalpy of reaction of the methanation in the temperature range of 350 to 600 0 O
q., = 2524 kcal/kg Bk10 q., = 2524 kcal / kg Bk 10
sowie die physikalische Enthalpie des Rückgases nach der Mem Temperaturbereichas well as the physical enthalpy of the return gas according to the Mem temperature range
q2 = 500 kcal/kgq 2 = 500 kcal / kg
thanisierung im Temperaturbereich von 350 bis 105 0Cthanisierung in the temperature range 350-105 0 C.
90S837/0590S837 / 05
is 25 0C = 1566 kcal/kgis 25 0 C = 1566 kcal / kg
und im Temperaturbereich von 105 bis 25 0Cand in the temperature range from 105 to 25 ° C
abzuführen sind.are to be discharged.
Von q-3 werden qKT = 850 kcal/kg Bk10 im Temperaturbereich von 75 bis 105 0C in einer rauchgasdurchfluteten Kohletrocknung indirekt abgeführt, während im Temperaturbereich von 25 bis 75 0C qsw .j = 160 kcal/kg Bk-J0 zur Vorwärmung von Speisewasser für den Dampfkraftprozeß und qSK = 556 kcal/kg Bk10 zur Warmwassererzeugung eingesetzt oder durch eine Schlußkühlung an die Umwelt abgeführt werden.From q-3 q KT = 850 kcal / kg Bk 10 in the temperature range from 75 to 105 0 C in a coal drying flooded with smoke gas are indirectly removed, while in the temperature range from 25 to 75 0 C q sw .j = 160 kcal / kg Bk-J 0 can be used to preheat feed water for the steam power process and q SK = 556 kcal / kg Bk 10 to generate hot water or be discharged to the environment through final cooling.
Die Speisewasservorwärmung von 70 auf 100 0C erfolgt regenerativ durch Entnahmedampf. Danach wird ein SpeisewasserteilstromThe feed water is preheated from 70 to 100 ° C. regeneratively by means of extraction steam. A feedwater partial flow is then established
2 = 1,718 kg durch q2 von 100 auf 345 C vorgewärmt, während die restliche Speisewassermenge von 100 über 180 auf 260 C ebenfalls durch Entnahmedampf regenerativ vorgewärmt wird.2 = 1.718 kg preheated by q 2 from 100 to 345 C, while the remaining amount of feed water from 100 to 180 to 260 C is also preheated regeneratively by extraction steam.
Der Dampferzeugung und zweifachen Zwischenüberhitzung im Dampfkraftprozeß, die auf der Grundlage von q1 realisiert werden, werden die SpeisewassermengenThe steam generation and double reheating in the steam power process, which are realized on the basis of q 1 , become the feed water quantities
msw 2 = 1,718 kg mit 345 0C und
msw 3 = 2,767 kg mit 260 0C
zugeführt.m sw 2 = 1.718 kg with 345 0 C and
m sw 3 = 2.767 kg with 260 0 C
fed.
Aus dem Speisewasser wird eine Frischdampf menge mD = 4»485 kg mit 250 at; 520 0Cj h^ = 774,7 kcal/kg erzeugt. Diese Dampf menge wird auf 41 at; hp = 680,6 kcal/kg in der ersten Expansionsstufe entspannt und leistet bei einem Wirkungsgrad η ig DT = 0,90 eine technische Arbeit von w^. = - 422 kcal/kg Bk10.A live steam quantity m D = 4 »485 kg with 250 at; 520 0 Cj h ^ = 774.7 kcal / kg produced. This amount of steam is set to 41 at; hp = 680.6 kcal / kg relaxes in the first expansion stage and performs a technical work of w ^ at an efficiency η ig DT = 0.90. = - 422 kcal / kg Bk 10 .
Bei 41 at werden Etpr D = 2,431 kg und mD 1 = 0,4353 kg als .Prozeßdampf bzw. zur regenerativen Speisewasservorwärmung entnommen, so daß die Dampfmenge mß 2 = 1»619 kg bei 41 at auf 540 0C; h-, = 844,8 kcal/kg überhitzt werden kann (erste Zwischenüberhitzung) · Danach wird m^ ο in der zweiten Expansionsstufe auf 10 at; h, = 749,9 kcal/kg entspannt und leistet dabei ^is.DT = °»9°) die technische Arbeit w+ = - 154 kcal/kg Bk1 Nach Entnahme von m-η . = 0,242 kg zur regenerativen Wasservorwärmung wird m-jj c = 1,377 kg bei 10 at auf 580 0C; h,- = 872,6 kcal/kg überhitzt. Danach leistet mD ,- bei einemAt 41 at, Etp r D = 2.431 kg and m D 1 = 0.4353 kg are withdrawn as process steam or for regenerative feed water preheating, so that the steam quantity m ß 2 = 1 »619 kg at 41 at to 540 ° C .; h-, = 844.8 kcal / kg can be overheated (first intermediate overheating) · Then m ^ ο in the second expansion stage to 10 at; h, = 749.9 kcal / kg relaxed and doing ^ is.DT = ° » 9 °) the technical work w + = - 154 kcal / kg Bk 1 after taking m-η. = 0.242 kg m-regenerative water preheating is jj c = 1.377 kg at 10 at 580 0 C; h, - = 872.6 kcal / kg overheated. Then m does D , - for one
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-4S--4S-
ύι . =0,90 durch Entspannung auf 1 at; hc = 720,5 kcal/kg ύι . = 0.90 by relaxing to 1 at; h c = 720.5 kcal / kg
* IS. JJX D* IS. JJX D
die technische Arbeit w-^ ο = - 209 kcal/kg Bk1 Q.the technical work w- ^ ο = - 209 kcal / kg Bk 1 Q.
Hach. Entnahme von rn-η g = 0,223 kg zur regenerativen Speisewas servorwärmung wird die Expansion der Dampfmenge nu ~ = 1,154 kg auf einen Kondensatordruck p-g- = 0,04 at; h~ = 604,7 kcal/kg fortgesetzt· mD ~ leistet dabei die technische Arbeit w-^ . = - 134 kcal/kg Bk1Q.Huh. Withdrawal of rn-η g = 0.223 kg for regenerative feed water preheating, the expansion of the amount of steam is nu ~ = 1.154 kg to a condenser pressure pg- = 0.04 at; h ~ = 604.7 kcal / kg continued m D ~ does the technical work w- ^ . = - 134 kcal / kg Bk 1Q .
Damit gibt der dem Gasturbinenprozeß nachgeschaltete Dampfkraftprozeß insgesamt die technische ArbeitThis gives the steam power process downstream of the gas turbine process overall the technical work
w. = - 919 kcal/kg Bk1n w. = - 919 kcal / kg Bk 1n
Die Kondensationswärme des Maschinenabdampfes des Dampfkraftprozesses The heat of condensation of the machine exhaust steam from the steam power process
— τη ("V\ Vi ^- τη ("V \ Vi ^
= 1,154 (604,7 - 25) = - 669 kcal/kg Bk10 = 1.154 (604.7 - 25) = - 669 kcal / kg Bk 10
wird in für Kondensationskraftwerke üblicher Weise durch Kühlwasser an die Umwelt abgeführt.is discharged to the environment in the usual way for condensing power plants by means of cooling water.
Bezogen auf die mit der Braunkohle insgesamt zugeführte Enthalpie h = 5400 kcal/kg Bk10 ergeben sich in der Wärmebilanz der Prozeßkopplung folgende Werte für die abzuführenden Energiemengen: In relation to the total enthalpy supplied with the lignite h = 5400 kcal / kg Bk 10 , the following values result for the amounts of energy to be dissipated in the heat balance of the process coupling:
kcal % kcal %
1. Kohletrocknung - 850 15,71. Coal drying - 850 15.7
2. chemische und physikalische Enthalpie der Abprodukte (Verbrennungsgas2. chemical and physical enthalpy of the waste products (combustion gas
und Schlacke) - 800 14,8and slag) - 800 14.8
3β Oberflächenverluste (Kohlevergasung, Steamreformingofen, Methanisierung) 3β surface losses (coal gasification, Steam reforming furnace, methanation)
4· Kondensation4 · condensation
5. Schlußkühlung bzw. Warmwassererzeugung bis 70 0C5. Final cooling or hot water up to 70 0 C.
6. technische Arbeit (w+ )6. technical work (w +)
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23070822307082
kcal %kcal%
7. Hilfsenergie für Pumpen, Gebläse und Kohlemahlung 73 1,47. Auxiliary energy for pumps, fans and coal grinding 73 1.4
insgesamt abgeführt: - 5400 kcal/kg Bk10 100,0 %total removed: - 5400 kcal / kg Bk 10 100.0%
Bezogen auf den aus der Kohleanalyse berechenbaren Heizwert erreicht das beschriebene Beispiel einen Wirkungsgrad vonIn relation to the calorific value that can be calculated from the coal analysis, the example described achieves an efficiency of
χ Wtab 2297 SeS H*(theor.) 412° χ Wt from 2297 SeS H * (theor.) 412 °
und unter Beachtung der Schlackenreaktionen, die bei experimenteller Heizwertbestimmung mit erfaßt werden,and taking into account the slag reactions that occur in experimental Determination of the calorific value can also be recorded,
wt . 2297 w t. 2297
Hu(exP.) 4320 Hu (ex P. ) 4320
Charakteristisch für dieses Beispiel ist, daß von der insgesamt erzeugten technischen Arbeit w^ = - 2660 kcal/kg Bk^0 einschließlich der RG-Verdicht.ung nur wtEieenverbr = ^3 kcal/ kg Bk-Q im Prozeß als Eigenverbrauch benötigt werden, das sind, bezogen auf die technische Arbeit, 13,6 %, während W^. = - 2297 kcal/kg Bk-Q, das sind 86,4 % der erzeugten technischen Arbeit, abgeführt werden können. Daraus ist zu schlußfolgern, daß der spezifische Materialaufwand für die Verdichter und die Gasturbinen um mehr als 50 % gesenkt werden kann. Auf eine Darstellung der erfindungsgemäßen Prozeßkombination in einem Blockschaltbild wird verzichtet, da jeder Fachmann auf Grund der ausführlichen Beschreibung der Erfindung, insbesondere auf Grund des Beispieles, den Prozeß aufzeichnen und nachrechnen kann·It is characteristic of this example that of the total technical work w ^ = - 2660 kcal / kg Bk ^ 0 including the RG compression, only w energy consumption = ^ 3 kcal / kg Bk-Q are required in the process as internal consumption, that is, based on the technical work, 13.6%, while W ^. = - 2297 kcal / kg Bk-Q, that is 86.4% of the technical work generated, can be removed. It can be concluded from this that the specific material expenditure for the compressors and the gas turbines can be reduced by more than 50%. The process combination according to the invention is not shown in a block diagram, since any person skilled in the art can record and recalculate the process on the basis of the detailed description of the invention, in particular on the basis of the example.
Die ausgewiesenen Wirkungsgrade ^2Q3 u*id \ ^0α sind mit den The stated efficiencies ^ 2 Q 3 u * id \ ^ 0α are with the
g gg g
in den Statistiken veröffentlichten Wirkungsgraden für Wärmekraftwerke vergleichbar. Damit ist zu schlußfolgern, daß die Erfindung eine Verbesserung der Wirkungsgrade bei Grundlastbetrieb von 30 bis 35 auf annähernd 50 % ermöglicht, d. h., bei konstantem Brennstoffbedarf kann die Elektroenergieerzeugung auf 140 bis 165 % gesteigert werden, oder aber bei kon-efficiencies published in the statistics for thermal power plants comparable. It can therefore be concluded that the invention improves the efficiencies in base load operation enables from 30 to 35 to approximately 50%, d. that is, with constant fuel demand, the electrical power generation can be increased to 140 to 165%, or if
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stanter Elektroenergieabgabe kann der Brennstoffbedarf auf 60 bis 70 % der derzeitigen Werte gesenkt werden.Constant electrical energy output can increase the fuel requirement 60 to 70% of the current values are reduced.
Zum Abschluß des Beispieles soll noch einmal darauf hingewiesen werden, daß die zur Realisierung des ersten erfindungsgemäßen Verfahrensschrittes erforderliche Wärmeübertragung (<1tt) auch auf andere Art und durch andere Brennstoffe sowie durch Hochtemperaturkernreaktoren gesichert werden kann.To conclude the example, it should be pointed out again that the implementation of the first according to the invention Process step required heat transfer (<1tt) also in other ways and through other fuels as well as can be secured by high-temperature nuclear reactors.
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