DE3322323A1

DE3322323A1 - Verfahren zur ausscheidung von gasfoermigen stoffen aus gasfoermigen medien durch auskondensation

Info

Publication number: DE3322323A1
Application number: DE19833322323
Authority: DE
Inventors: Peter Graf von 8000 München Ingelheim
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-06-21
Filing date: 1983-06-21
Publication date: 1985-01-03

Description

rater Graf ν. lngelheim

_2 - Dipl.-Math., Dip!.-Kfm.

Ebersberger Str.

OO " '. .: . ' ."' ."."'I 3000 München 80

OvJ- -■-.::■-. .--. -. Tel. 089/985974

OO Verfahren zur Ausscheidung- von gasFörnnig-sn Stoffen aus gasförmigen _. Medien durch Auskondensation.

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Aussehe dung von gasförmigen Stoffen aus gasförmigen Medien durch Auskondensation. Dabei wird das gasförmige Medium verdichtet, in einem Wärmetauscher durch die nach der Entspannung kalten Abgase gekühlt, entspannt und dadurch weiter abgekühlt und die abgekühlten Gase im Wärmetauscher durch die nach der Verdichtung warmen Gase wieder erhitzt. Innerhalb des Prozesses können mit diesem Verfahren derartig tiefe Temperaturen erreicht werden, daß - je nach Kondensationspunkt und Partialdruck der Stoffe innerhalb des Mediums- eine teilweise oder nahezu vollständige Auskondensation erreicht wird.

Dieses Verfahren kann insbesondere Anwendung finden zur Entschwefelung von Rauchgasen bei Großfeuerungsanlagen. E? ist ein Entschwefelungsverfahren bekannt, bei dem Luft verdichtet, in der verdichteten Luft ein Brennstoff verbrannb wird und das unter Druck stehende Rauchgas in mehreren Stufen entspannt wird, wobei zwischen zwei Stufen Wärme entzogen wird und in der letzten Expansionsstufe eine derartig tiefe Temperatur erreicht wird, daß das Schwefeldioxid im Abgas kondensiert ( D. Pat. Anm. P 33 07 802.5). Dieses Verfahren ermöglicht sogar eine Verbesserung des Kraftwerkwirkungsgrades, spart also Brennstoff ein,

Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, daß es bei bestehenden Kraftwerken nicht durchzuführen ist, da der Dampferzeuger zur Verbrennung von Brennstoffen unter Druck vollständig umgestaltet werden muß.

Hier nun will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung wie sie gekennzeichnet ist, ermöglicht die Beibehaltung des herkömmlichen Dampferzeugers und der herkömmlichen Filter und hat nur eine Behandlung der Abgase, wie sie bei bisherigen Kraftwerken durch den Kamin gehen, bzw. der Ansaugluft, bevor sie in den Brennraum gelangt, zum Ziel. Dennoch wird damit eine Auskondensation des Schwefeldioxids bzw. eine Verbesserung des Kraftwerkwirkungsgrades ermöglicht.

Abbildung /I zeigt ein Wärmeschaltbild eines Beispiels einer Entschwefelungsanlage, bei der ausschließlich das aus dem Dampferzeuger (1 ) ρ tarn-,mende Abgas behandelt wird und ein Teil der Abwärme zum Vorwärmen

CO -

CNl- -

CO der Ansaugluft genutzt nü-rd;

OsJ ο

_. Luft der Außentemperatur 17 C wird im Wärmetauscher! (2)de^c Wirkung.¹=-

CO grades 80% auf die Temperatur 257 C vorgewärmt und gelangt in den Dampf-CO

erzeuger (1 ), in dem wie bei bekannten Dampferzeugern in Luft von ca.

1 bar Atmosphärendruck ein Brennstoff verbrannt wird. Die Abgase kommen mit einer Temperatur von 300 C aus dem Dampferzeuger (1 ) und werden im Wärmetauscher (2) auf die Temperatur 80 C und in einem zweiten Wärmetauscher (3) auf die Temperatur 40 C heruntergekühlt. In einem Verdichter (4) des Verdichten/virkungsgrades 88% wird das Abgas auf einen Druck von 2,2 bar verdichtet und erreicht damit eine Temperatur von ca. 130 C. In dem Wärmetauscher (5) des Wirkungsgrades 80% wird das verdichtete Gas durch die nach der Entspannung sehr kalten Gase auf eine Temperatur von -51 °C heruntergekühlt. In der Turbine (6) des Wirkungsgrades 92% wird das kalte Abgas entspannt, wodurch es eine Temperatur von ca. -97 C erreicht. In einem Kondensatsammler (7) wird das kondensierende Schwefeldioxid gesammelt. Danach wird das kalte, entspannte Abgas durch den Wärmetauscher (5) geleitet, wo es auf die Temperatur ί
den Kamin geht.

die Temperatur 88 C aufgeheizt wird und mit dieser Temperatur durch

Unterstellt man einen Wirkungsgrad des Dampfproze^c=eF von 46% und eine Abgastemperatur bei bisherigen Dampfkraftwerken mit Luftvorwärmung von 125 C, dann gewinnt man durch ptärkere= Herunterkühlen des Abgases auf 80 C im Dampfkreislauf

25· W 3s (125 -8O)-0,46 = 20,7 kJ/kg Abgas

Im Verdichter (4) wird die Arbeit

W = (313 - 1 ,01 · 403) = - 94 kJ/kg Abgas verbraucht und in der Turbine (6) wird die Arbeit

W = (222 - 176) =46 kJ/kg Abgas gewonnen.

Damit verbraucht dieser reine Entschwefelungsprozeß an Arbeit

W,- . , - , =94-46 -20,7 =27,3 kJ/kg Abgas

Entschwefelung ' ' ^{a a}

Abbildung 2 zeigt eine Schaltung, bei der \/or den Dampferzeuger eine Gasturbinenanlage gesetzt wurde, deren sauerstoffreiche, heiße Abgase in den Dampferzeuger gebracht werden, wo sie die Verbrennung unterhalten,

COPY

-J -

CO f^ip L¹JTt vi^d ang;^ic~auc.;c :.:ηο im Verdichter ^i) auf einen Doiok on 3.2

bar v/prdichtpt und ?om:t auf die Temperatur vDn 147 C gebracht. In

OO ->inem Wä^m^tau" he" D) ^Wirkungsgrad 79%) wird ^ie von den hei^ß&n

OO ~ __ D

Abgasen au·- dom Dampferzeuger auf die ι emperatur 2 7r> C aufgeheizt.

In einer Brennkammer ider einem mit dem Dampferzeuger in Verbindung stehenden Wärmetauscher (10) wird sie auf die Temperatur 800 C weiter aufgeheizt und dann in die Turbine (11) auf den Druck 1 bar entspannt, mit dem sie mit der Temperatur 534 C in den Dampferzeuger strömt. Diesen verläßt das Abgas mit der Temperatur 300 C, wird im Wärme tau sch er(9) auf die Temperatur 140 C und im Wärmetauscher (3) auf die Temperatur 40 C heruntergekühlt. Danach strömt das Abgas- wie zu Abb.1 beschrieben - durch den Verdichter (4), den Wärmetauscher (5), die Turbine (6), den Kondensatsammler (7) und den Wärmetauscher (5) und erreicht den

Kamin mit der Temperatur von 8S C.
15

Unterstellt man eine Verbrennungswärme im Dampferzeuger von 1650 kJ/kg Verbrennungsluft, einen Wirkungsgrad des Dampfprozesses von 46,4% und einen Kraftwerkseigenverbrauch an Arbeit von 40 kJ/kg Verbrennungluft, dann wird im Dampferzeuger die Wärme genutzt: Q = 1650 + (534 (- 2 73)· 1 ,0^:~ " (300 +273>1 ,05 = 1920 kJ/kg Verbr.iuft Davon werden an den Gasturbinenprozeß abgezweigt:

Q= 1 ,16'(80O +273) - 1 ,04.(270 + 273) = 630 kJ/kg Verbr.iuft

Somit stehen für den DampTprozeß zur Verfügung:

Q= 1920 - 6Ü0 = 1240 kJ/kg Verbrennungsluft Ee^: einem Wirkungsgrad des Dampfprozesses von 46,4% gewinnt man also pro kg Verbrennungsluft die Arbeit:

W _T = 1240· 0,464 = 5~5 kJ/kg Verbr.iuft

Im Gasturbinenprozeß wird somit gewonnen bzw. verbraucht:

Arbeit Verdichter^ ) = (1 7*273) - (147+273)-1 ,025 = A 40 kJ/kg Arbeit Turbine (11)= (3OC 273>! ,16 - (534+273>1 ,03 = 373 kJ/kg Arbeit Verdichter (4) = - 94 kj/kg

Arbeit Turbine (6) = 46 kJ/kg

Gesamtarbeit Gasturbinenproceß 1S5 kJ/kg

ORIGINAL INSPECTED

COPY

ζγ-ι Das Kraftwerk erbringt- =orr>vt· die Nu^zieishmg von

^¹ Dampfturbinenanlage _t 575 kJ/kg

CO Gasturbinenanlage + 135 kJ/kg

- Eigenverbrauch Kraftwerk - 40 kJ/kg

720 kJ/kg Der KraftwerWrkungsgrad ist somit: 720/1650 = 0,436.

Zur Herleitung der tiefstmöglichen Temperatur T . hinter der Turbine (6) sind das Verdichterdruckverhältnis TL, des Verdichters (4), der Wirkungsgrad^.^- des Wärmetauschers (5) und die Temperatur T₁ vor dem Verdichter (4) von ausschlaggebender Bedeutung. Es sei: T₁ = Temperatur vor Verdichter (4) T^₁ = Temperatur hinter Verdichter (4) 5 T₀ = Temperatur vor Turbine (6)

T = Temperatur hinter Turbine (6)= Tiefsttemperatur T = Temperatur vor Kamin *?w⁼ Verdichterwirkungsgrad ¹^-,-- Turbinenwirkungsgrad ¹O = Wärmetauscherwirkungsgrad

7t. . = Verdichterd^uckverhältnis TZ — Turbinendruckverhältnis

Für die Temperatur nach dem Verdichter folgt; 25. T₂= ((TC_nJ,⁰'⁴⁷¹ '⁴⁾ - 1)A,_V f I)-T₁ .

und für die nach der Turbine:

-τ- _ (A - ( \ - π ("Ο*⁴/¹ '⁴)yio Λ.-γ · ¹ 4 ^{U L} T ^; /T^; 3 '

und wegen des Wä^metauscherwirkungsgrade¹= _w_ folgt:

'ρ 2 4 /WT ρ 2 3 ρ 5

Daraus folgt:

und:
und:

7wt'^T2 - 7wf< ¹ -⁽¹ -<'⁰'^4/''⁴⁾>7τ->-^Ύ3' ^Τ2-^Τ _;

^T3 =( ¹ -7wt)'^t ₂/ ^¹ - 7 WT

ORIGINAL INSPECTED COPY

Noch tiefere Temperaturen sind zu erreich pm, wenn das Abgas hinter

OJ dem Verdichter (4) zunächst durch pin anderes Kühlmedium in einem

CNl

(y-y Wärmetauscher auf r?ino Temperatur T von beispielsweise 40 C herunter-

^ gekühlt wird, in drn F irmeln für T und T_r wird dann - anstatt T - dip

Temperatur T mnge^etzt. Zum E"r^eichen der geforderten Mindesttemperatur der Abgasp vir dem Kamin wied z.B. bei der Schaltung der Abbildung 2 da^c Abga= im Wärmetauscher (3) weiter aufgeheizt.

Beispiel: T₁ = 40°Cj Τ_χ = 4o°C: _v = 2,2j _T= ²J _v = ⁰,⁸³; _T= 0,92;

Die erreichten Temperaturen sind dann ca.:

T₂ = 130°C T_x= 40°C

T₃ = - !J4°C T₄= -115°C

T. = 9°C 5

T ,„ . = T₆.+ 0,8 ( 140 - 9) = 113 C

vor Kamin 5 ' ^

( bei weiterer Aufheizung im Wärmetauscher (3))

Claims

Pcfer Graf ν. n

Dipl.-Math., Dipi.-Kfn fY-j - Ebersberger Sir. 34

CNj. PATENTANSPRÜCHE: .^: . 8000 München Rj

^j _: - Tel. 089/93 59 74

(Nl I 1 J Verfahren zur Ausscheidung eines gasförmigen Stoffe? aus einem gas-

{V} förmigen Medium durch Auskondensation, dadurch gekennzeichnet,

daß das gasförmige Medium in einem Verdichter (4) verdichtet, in einem Wärmetauscher (5) durch das nach der Entspannung kalte Medium gekühlt, dann in einer Expansionsmaschine (6) entspannt wird, so;daß es dadurch noch weiter abkühlt und dahe^ der gasförmige Stoff kondensierend dann das kalte Medium im Wärmetauscher (5) wieder aufgeheizt wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 zusätzlich dadurch gekennzeichnet,

daß zusätzlich zum einen Wärmetauscher (5) das Medium in einem in einem oder mehreren zusätzlichen Wärmetauschern zwischen Verdichter (4) und Expansionsmaschine (6) durch ein anderes Kühlmedium gekühlt wird und/oder daß es vor dem Verdichter (4) in einem oder mehreren Wärmetauschern durch das hinter der Expansionsmaschine (6) kalte Medium und/oder durch ein zusätzliches Kühlmedium gekühlt wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2 zusätzlich dadurch gekennzeichnet,

daß es zur Entschwefelung der Rauchgase von Großfeuerungsanlagen eingesetzt wird.
4. Dampfkraftwerk, bei dem unter Atmosphärendruck oder nahezu Atmosphärendruck ein fossiler Brennstoff verbrannt wird und bei dem zur Entschwefelung ein Verfahren nach Patentanspruch 3 verwendet wird, dadurch gekennzeichnet,

daß vor dem Dampferzeuger (1 ) eine Gasturbinenanlage (8 ,9,10,11 ) arbeitet, deren heiße Abgase in den Dampferzeuger (1 ) geführt werden und die Abgase aus dem Dampferzeuger in einemWämetauscher (9) die verdichtete Luft der Gasturbinenanlage hinter dem Verdichter (8) vorwärmen.

ORIGINAL INSPECTED