DE3612888A1 - Kombinierter gas-/dampfturbinen-prozess - Google Patents
Kombinierter gas-/dampfturbinen-prozessInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines
kombinierten Gas-/Dampfturbinen-Prozesses, bei dem der
Gasturbinen-Prozeß mittels eines aus festem
kohlenstoffhaltigem Material gewonnenen und danach
entschwefelten Brenngases und der Dampfturbinen-Prozeß
mittels des bei der Verbrennung des kohlenstoffhaltigen
Vergasungsrückstandes gewonnenen Dampfes betrieben wird
und bei dem die Verbrennung des kohlenstoffhaltigen
Vergasungsrückstandes mit sauerstoffhaltigen Abgasen des
Gasturbinen-Prozesses erfolgt.
Bedingt durch die sogenannte Energiekrise zeichnet sich in
den letzten Jahren zunehmend der Trend ab, bei der
Erzeugung elektrischer Energie Öl und Gas durch feste
Brennstoffe, insbesondere Kohle, zu ersetzen. Parallel
hierzu wird verstärkt nach Möglichkeiten zur Erhöhung von
Wirkungs- und Nutzungsgrad bei der Erzeugung von
elektrischem Strom aus festen Brennstoffen gesucht, wobei
nicht nur die bessere Ausnutzung des Primärenergieträgers,
sondern auch die verschärften Umweltschutzforderungen im
Blickfeld stehen. Bekanntlich wird bei einer Erhöhung des
Wirkungsgrades bei einer vorgegebenen Abgasreinigung pro
erzeugter Energieeinheit weniger Schadstoff als bei einem
geringeren Wirkungsgrad emittiert.
Bei der Erzeugung von Strom ist die vorstehend genannte
Verbesserung des Wirkungsgrades aufgrund thermodynamischer
Erwägungen, insbesondere bei kombinierten
Gas-/Dampfturbinen-Prozessen erzielbar. Hierbei können die
Gasturbinen zwar grundsätzlich gas- oder ölgefeuert sein,
der entscheidende Vorteil wird aber erst dann erzielt,
wenn die Gasturbine mit durch Teilvergasung von festem
Brennstoff gewonnenem Gas betrieben wird.
So ist beispielsweise bei dem
VEW-Kohleumwandlungs-Verfahren vorgesehen, Kohle zur
Teilvergasung einer Vergasungsanlage zuzuführen, das Gas
mit Hilfe einer Wäsche von Schadstoffen zu befreien und
anschließend in der Gasturbine zu verfeuern. Der bei der
Teilvergasung zurückbleibende Koks wird in der Feuerung
eines Dampferzeugers mit den sauerstoffhaltigen Abgasen
der Gasturbine verbrannt und der Dampf einer Dampfturbine
zugeleitet (K. Weinzierl, "Kohlevergasung zur
Wirkungsgradverbesserung im Kraftwerk"
VGB-Kraftwerkstechnik 62 (1982), Heft 5, Seite 365 ff. und
Heft 10, Seite 852 ff.).
Obgleich das vorstehend behandelte Konzept des
kombinierten Gas-/Dampfturbinen-Prozesses mit
Kohleteilvergasung zunächst nur attraktiv erscheint, liegt
das Problem in der technischen Realisierung der einzelnen
Verfahrensschritte und in deren Verknüpfung. Denn es ist
zu beachten, daß bereits in Details der Verfahrensführung
auftretende Mängel oder Unzulänglichkeiten die mit dem
Prozeß an sich erreichbare Verbesserung des Wirkungsgrades
zunichte machen können. Beispielsweise ist die
Durchführung der Vergasung bei einer vergleichsweise hohen
Temperatur mit dem Nachteil behaftet, daß zunächst
wertvolles, im Prozeß erzeugtes Gas zur Luftvorwärmung
verbraucht wird. Denn nur so ist die hohe
Vergasungstemperatur zu erreichen. Infolge der hohen
Vergasungs- und damit Gastemperatur muß darüber hinaus
dann dem erzeugten Gas eine merkliche Menge fühlbarer
Wärme entzogen werden. Dies geschieht üblicherweise durch
Erzeugung von überhitztem Dampf, der der Dampfturbine
zugeführt wird. Im Ergebnis ist die vorgenannte
Ausgestaltung der Vergasungsstufe mit einer Verlagerung
von Energie vom Gasturbinen-Zweig in den
Dampfturbinen-Zweig verbunden, wodurch - wie sich
thermodynamisch ermitteln läßt - mindestens ein
wesentlicher Teil der Verbesserung des Wirkungsgrades
aufgezehrt wird.
In ähnlicher Weise problematisch ist die Durchführung der
Verbrennung, z. B. wenn es nicht gelingt, den im
Vergasungsrückstand enthaltenen Kohlenstoff möglichst
vollständig zu verbrennen. Schließlich wirft auch die
Entschwefelung der bei der Vergasung erzeugten Brenngase
bzw. der daraus gewonnenen Rauchgase sowie der Rauchgase
der Rückstandsverfeuerung große, den Wirkungsgrad
gegebenenfalls wieder beeinträchtigende Probleme auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kombinierten
Gas-/Dampfturbinen-Prozeß bereitzustellen, der die
Nachteile der bekannten, insbesondere des vorgenannten,
Verfahren(s) nicht aufweist und die Verbrennung fester
kohlenstoffhaltiger Brennstoffe umweltfreundlich mit einem
hohen Brennstoffnutzungsgrad und eine Stromerzeugung mit
einem hohen Wirkungsgrad ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst, indem das Verfahren der eingangs
genannten Art entsprechend der Erfindung derart
ausgestaltet wird, daß man das Brenngas in einer
zirkulierenden Wirbelschicht durch Vergasung von 70 bis 95
Gew.-% des Kohlenstoffgehalts im kohlenstoffhaltigen
Material bei einer Temperatur von 900 bis 1100°C erzeugt,
im Suspensionszustand bei 850 bis 950°C mit
Kalziumhydroxid, Kalziumoxid und/oder
kalziumkarbonathaltigem Feststoff von Schadstoffen befreit
und zum überwiegenden Teil für den Betrieb der Gasturbine
zu einem mindestens 5 Vol.-% Sauerstoff enthaltenden Gas
von mindestens 1000°C verbrennt, die Verbrennung des
kohlenstoffhaltigen Vergasungsrückstandes unter Erzeugung
von Prozeßdampf in einer weiteren zirkulierenden
Wirbelschicht bei einer Temperatur von 800 bis 950°C
nahstöchiometrisch mit mindestens 2 Teilströmen in
unterschiedlicher Höhe zugeführten sauerstoffhaltigen
Gasen, die zum überwiegenden Teil aus dem Gasturbinenabgas
gebildet werden, durchführt.
Zwar ist es aus der EP-A1-62 363 bekannt, aus
kohlenstoffhaltigem Material als erste Stufe eine
Vergasung bei einem Druck von maximal 5 bar und einer
Temperatur von 800 bis 1100°C mittels sauerstoffhaltiger
Gase in Gegenwart von Wasserdampf in einer zirkulierenden
Wirbelschicht durchzuführen und hierbei 40 bis 80 Gew.-%
des im Ausgangsmaterial enthaltenen Kohlenstoffes
umzusetzen, das hierbei gebildete Gas bei einer Temperatur
im Bereich von 800 bis 1000°C im Suspensionszustand von
Schwefelverbindungen zu befreien, danach zu kühlen und zu
entstauben und als zweite Stufe den Rückstand aus der
Vergasung zusammen mit den bei der Gasreinigung
anfallenden Nebenprodukten, wie beladenes
Entschwefelungsmittel, Staub und Gaswasser, einer weiteren
zirkulierenden Wirbelschicht zuzuführen und dort die
verbliebenen brennbaren Bestandteile bei einer
Luftverhältniszahl von λ = 1,05 bis 1,40 zu verbrennen.
Dieses Konzept verfolgt jedoch das Ziel, die Industrie bei
der Erzeugung bestimmter Produkte mit Energie in
unterschiedlicher Form, z. B. als Dampf für
Beheizungszwecke, in Form anderer Hochtemperaturwärme und
in Form sauberer Brenngase, bei deren Verbrennung die
Produktqualität nicht negativ beeinflußt wird,
auszustatten. Dabei soll der Grad der Umwandlung der
Primärenergie (z. B. der Kohle) in die Sekundärenergien
Brenngas und Prozeßwärme in Anpassung an den jeweils
bestehenden Bedarf für die eine oder andere
Sekundärenergie in weiten Grenzen variabel sein. Das
heißt, mit dem vorstehend zitierten Verfahren wird ein
Problem gelöst, das in dieser Form bei kombinierten
Gas-/Dampfturbinen-Prozessen nicht auftritt, wie
beispielsweise auch schon der unterschiedliche
Vergasungsgrad zeigt.
Innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens bedeutet
"festes kohlenstoffhaltiges Material" bei
Umgebungstemperatur fester Brennstoff. Derartige
Materialien sind beispielsweise Kohlen aller Art inklusive
Waschberge, Koks, Petrolkoks, Holzabfälle, Torf,
Ölschiefer, Asphaltene und Raffinerierückstände.
Das in der Vergasungs- und in der Verbrennungsstufe
angewendete Prinzip der zirkulierenden Wirbelschicht
zeichnet sich dadurch aus, daß - im Unterschied zur
"klassischen" Wirbelschicht, bei der eine dichte Phase
durch einen deutlichen Dichtesprung von dem darüber
befindlichen Gasraum getrennt ist - Verteilungszustände
ohne definierte Grenzschicht vorliegen. Ein Dichtesprung
zwischen dichter Phase und darüber befindlichem Staubraum
ist nicht existent; jedoch nimmt innerhalb des Reaktors
die Feststoffkonzentration von unten nach oben ständig ab.
Bei der Definition der Betriebsbedingungen über die
Kennzahlen von Froude und Archimedes ergeben sich die
Bereiche:
bzw.
0,01 Ar 100,
wobei
und
sind.
Es bedeuten:
u
die relative Gasgeschwindigkeit in m/s
Ar
die Archimedes-Zahl
Fr
die Froude-Zahl
ρ
g
die Dichte des Gases in kg/m³
ρ
k
die Dichte des Feststoffteilchens in kg/m³
d
k
den Durchmesser des kugelförmigen Teilchens
in m
ν
die kinematische Zähigkeit in m²/s
g
die Gravitationskonstante in m/s²
Über die Arbeitsweise von zirkulierenden Wirbelschichten
informiert ergänzend L. Reh et al "Wirbelschichtprozesse für
die Chemie- und Hüttenindustrie, die Energieumwandlung und den
Umweltschutz", Chem.-Ing. Techn. 55 (1983), Nr. 2, Seiten 87 bis
93.
Demgegenüber kann die Entschwefelung des erzeugten Gases bei
einem beliebigen Suspensionszustand, z. B. in einer
pneumatischen Förderung oder in einer Venturi-Wirbelschicht
mit Feststoffaustrag in einen nachgeschalteten Abscheider,
erfolgen. Mit Vorteil kann jedoch auch für die Entschwefelung
eine zirkulierende Wirbelschicht eingesetzt werden.
Wenn der Vergasungsprozeß unter 1000°C durchgeführt werden
kann, z. B. weil für den Betrieb der Gasturbine Brenngase mit
vergleichsweise niedrigem Heizwert zulässig sind, kann die
Entschwefelung auch im Vergasungsreaktor selbst, also in situ,
erfolgen.
Die Stufe der Vergasung kann unter jedem jeweils für
zweckmäßig erachteten Druck durchgeführt werden. Er wird sich
in der Regel aus den Betriebsdaten der Gasturbine ergeben und
etwa im Bereich von 15-30 bar liegen. Dabei sind aus
thermodynamischen Gegebenheiten möglichst hohe Drücke
vorzuziehen.
Das für die Vergasung erforderliche sauerstoffhaltige Gas und
der in der Regel erforderliche Wasserdampf sollten dem
Wirbelschichtreaktor der Vergasungsstufe in unterschiedlicher
Höhe zugeführt werden. Zweckmäßig ist es, Wasserdampf
überwiegend in Form von Fluidisierungsgas und
sauerstoffhaltiges Gas überwiegend in Form von Sekundärgas
zuzuführen. Selbstverständlich kann der Eintrag
untergeordneter Wasserdampfmengen auch zusammen mit dem
sauerstoffhaltigen Sekundärgas und der Eintrag von
untergeordneten Mengen sauerstoffhaltiger Gase zusammen mit
Wasserdampf als Fluidisierungsgas erfolgen.
Die Verweilzeit der Gase in der Vergasungsstufe - oberhalb der
Eintrittsstelle des kohlenstoffhaltigen Materials
gerechnet - sollte auf 3 bis 20 sec, vorzugsweise 10 bis
15 sec eingestellt werden. Diese Bedingung wird üblicherweise
realisiert, indem man das kohlenstoffhaltige Material auf
höherem Niveau in die Vergasungsstufe einträgt. Hierdurch
entsteht einerseits ein an Kohlenwasserstoff reicheres Gas mit
entsprechend höherem Heizwert, andererseits ist gewährleistet,
daß das Gas praktisch keine im Abgassystem kondensierenden
Kohlenwasserstoffe aufweist.
Die Entschwefelung des Brenngases erfolgt zweckmäßigerweise
mit Entschwefelungsmitteln, deren Teilchengröße d p 50 5 bis
200 µm beträgt. Dabei sollte im Wirbelschichtreaktor eine
mittlere Suspensionsdichte von 0,1 bis 10 kg/m³,
vorzugsweise 1 bis 5 kg/m³, und eine stündliche
Feststoffumlaufrate, die mindestens das 5fache des im
Reaktorschacht befindlichen Feststoffgewichtes ausmacht,
eingestellt werden.
Die Dosierung des Entschwefelungsmittels sollte mindestens das
1,2- bis 2,0fache des stöchiometrischen Bedarfs gemäß
CaO + H₂S = CaS + H₂O
betragen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß bei Verwendung von
Dolomit oder gebranntem Dolomit praktisch nur die
Kalziumkomponente mit den Schwefelverbindungen reagiert. Bei
der in-situ-Vergasung im Vergasungsreaktor sind zudem die mit
den anorganischen Bestandteilen des kohlenstoffhaltigen
Materials eingebrachten wirksamen Entschwefelungsmittel zu
berücksichtigen.
Die Gasgeschwindigkeit bei der Entschwefelung wird in
Abhängigkeit vom Gasdruck auf ca. 1 bis 5 m/sec (gerechnet als
Leerrohrgeschwindigkeit) eingestellt.
Bei separater Brenngasentschwefelung und insbesondere wenn die
Abgase der Vergasungsstufe mit hohen Temperaturen austreten,
kann das gesamte auch für die Verbrennungsstufe erforderliche
Entschwefelungsmittel der Stufe der Gasentschwefelung
zugegeben werden. Auf diese Weise wird die zur Aufheizung und
gegebenenfalls zur Entsäuerung erforderliche Wärmeenergie dem
Gas entzogen und damit der Vergasungs- und der
Verbrennungsstufe erhalten.
Die in der Vergasungsstufe nicht umgesetzten brennbaren
Bestandteile gelten - besonders unter dem Aspekt
umweltfreundlicher Verbrennung - als schwieriger Brennstoff.
Auch die bei der Gasreinigung anfallenden Nebenprodukte werden
als sehr schwierig aufarbeitbar betrachtet. Ihre Aufarbeitung
erfolgt mit Vorteil in einer weiteren zirkulierenden
Wirbelschicht. Dabei werden gleichzeitig die bei der
Gasreinigung angefallenen Nebenprodukte umweltfreundlich
beseitigt. Die aus der Gasreinigungsstufe kommenden beladenen
Entschwefelungsmittel, insbesondere soweit sie in sulfidischer
Form vorliegen, wie Kalziumsulfid, werden sulfatisiert und
dabei in deponiefähige Verbindungen, wie Kalziumsulfat,
überführt. Außerdem wird die beim Sulfatisierungsprozeß
freiwerdende Oxidationswärme zusätzlich als Dampf gewonnen.
Auch die weiteren Nebenprodukte, wie Staub aus der
Gasentstaubung, werden in umweltverträgliche Produkte
überführt.
Die Verbrennung erfolgt zweistufig mit in unterschiedlicher
Höhe zugeführten sauerstoffhaltigen Gasen. Ihr Vorzug liegt in
einer "weichen" Verbrennung, bei der lokale
Überhitzungserscheinungen vermieden werden. Durch die gestufte
Verbrennung wird zudem die NO x -Bildung weitgehend
zurückgedrängt. Die Brennstoffzufuhr erfolgt in die Zone
zwischen den Zufuhrstellen für sauerstoffhaltiges
Fluidisierungs- und Sekundärgas. Dabei wird zweckmäßigerweise
oberhalb der oberen Gaszuführung eine mittlere
Suspensionsdichte von 15 bis 100 kg/m³ durch Einstellung der
Fluidisierungs- und Sekundärgasmengen geschaffen und
mindestens ein wesentlicher Teil der Verbrennungswärme mittels
oberhalb der oberen Gaszuführung im Reaktorraum befindlicher
Kühlflächen abgeführt.
Eine derartige Arbeitsweise ist in der DE-AS 25 39 546 bzw. in
der entsprechenden US-PS 41 65 717 näher beschrieben.
Die im Wirbelschichtreaktor oberhalb der Sekundärgaszuführung
herrschenden Gasgeschwindigkeiten liegen bei Normaldruck im
Regelfall über 5 m/s und können bis zu 15 m/s betragen, und
das Verhältnis von Durchmesser zu Höhe des
Wirbelschichtreaktors sollte derart gewählt werden, daß
Gasverweilzeiten von 0,5 bis 8,0 s, vorzugsweise 1 bis 4 s,
erhalten werden.
Als Fluidisierungsgas kann praktisch jedes beliebige, die
Beschaffenheit des Abgases nicht beeinträchtigende Gas
eingesetzt werden. Es sind zwar auch Inertgase, wie
rückgeführtes Rauchgas (Abgas), Stickstoff und Wasserdampf,
geeignet. Besonders vorteilhaft ist im Hinblick auf die
Intensivierung des Verbrennungsprozesses ist es jedoch,
bereits als Fluidisierungsgas sauerstoffhaltiges Gas zu
verwenden.
Es ergeben sich mithin folgende Möglichkeiten:
- 1. Als Fluidisierungsgas bereits sauerstoffhaltiges Gas zu verwenden. Dann genügt der Eintrag von Sekundärgas in einer Ebene. Selbstverständlich kann auch bei dieser Ausführungsform noch eine Aufteilung des Sekundärgaseintrags in mehrere Ebenen erfolgen. Diese Arbeitsweise ist in der Regel vorzuziehen.
- 2. Als Fluidisierungsgas Inertgas zu verwenden. Dann ist es unerläßlich, das sauerstoffhaltige Verbrennungsgas als Sekundärgas in mindestens zwei übereinanderliegenden Ebenen einzutragen.
Innerhalb jeder Eintragsebene sind mehrere
Zuführungsöffnungen für Sekundärgas vorteilhaft.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung des
Verbrennungsprozesses besteht darin, oberhalb der oberen
Gaszuführung eine mittlere Suspensionsdichte von 10 bis
40 kg/m³ durch Einstellung der Fluidisierungs- und
Sekundärgasmengen zu schaffen, heißen Feststoff der
zirkulierenden Wirbelschicht zu entnehmen und im
Wirbelzustand durch direkten und indirekten Wärmeaustausch
zu kühlen und mindestens einen Teilstrom gekühlten
Feststoffes in die zirkulierende Wirbelschicht
zurückzuführen.
Diese Ausführungsform ist in der DE-OS 26 24 302 bzw. in
der entsprechenden US-PS 41 11 158 näher erläutert.
Hierbei läßt sich die Temperaturkonstanz praktisch ohne
Änderung der im Wirbelschichtreaktor herrschenden
Betriebszustände, also etwa ohne Veränderung der
Suspensionsdichte u. a., allein durch geregelte Rückführung
des gekühlten Feststoffes erreichen. Je nach
Verbrennungsleistung und eingestellter
Verbrennungstemperatur ist die Rezirkulationsrate mehr
oder minder hoch. Die Verbrennungstemperaturen lassen sich
von sehr niedrigen Temperaturen, die nahe oberhalb der
Zündgrenze liegen, bis zu sehr hohen Temperaturen, die
etwa durch Erweichung der Verbrennungsrückstände begrenzt
sind, beliebig einstellen. Sie können etwa zwischen 650
und 950°C liegen.
Auch bei dieser Ausgestaltung der Erfindung sind die
Gasverweilzeiten, Gasgeschwindigkeiten oberhalb der
Sekundärgasleitung bei Normaldruck und Art der
Fluidisierungs- bzw. Sekundärgaszuführung in
Übereinstimmung mit den gleichen Parametern der zuvor
behandelten Ausführungsform.
Die Leistung bei der Dampferzeugung kann - ohne daß in die
Stufe der Vergasung eingegriffen wird - erhöht werden,
wenn der Verbrennungsstufe zusätzlich kohlenstoffhaltiges
Material aufgegeben wird. Die Möglichkeit der separaten
Zugabe von festem kohlenstoffhaltigem Material in die
Verbrennungsstufe gestattet, insbesondere in der
Anfahrphase, die Aufnahme des Dampfturbinenbetriebes,
unabhängig vom Vergasungsrückstand der Vergasungsstufe.
Neben der Verwendung von Luft als sauerstoffhaltiges Gas
können auch mit Sauerstoff angereicherte Luft oder
technisch reiner Sauerstoff eingesetzt werden. Innerhalb
der Verbrennungsstufe kann bei Normaldruck, aber auch
unter Druck, etwa bis 10 bar, gearbeitet werden.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin,
das Brenngas durch Vergasung von mindestens 80 Gew.-% des
Kohlenstoffgehaltes des festen kohlenstoffhaltigen
Materials zu erzeugen bzw. die entschwefelten Brenngase
auf eine Temperatur im Bereich von 350 bis 600°C zu kühlen
und von Halogeniden zu befreien.
Die Erhöhung des Vergasungsgrades auf mindestens 80 Gew.-%
ist in der Regel mit dem Vorteil verbunden, daß ein
zusätzlich erhöhter Wirkungsgrad erzielt wird.
Die Entfernung der Halogenide erfolgt trocken mit
Kalziumoxid bzw. -hydroxid unter prinzipiell den gleichen
Verfahrensbedingungen, die mit Bezug auf die separate
Entschwefelung der Brenngase genannt sind.
Der überwiegende Teil des auf die vorstehend beschriebene
Weise erzeugten und gereinigten Brenngases wird in einer
Brennkammer überstöchiometrisch unter Erzeugung
NO x -armer Rauchgase verbrannt, so daß ein Rauchgas mit
mindestens 5 Vol.-% Sauerstoff entsteht. Da sich die
Temperatur des Rauchgases nach den Betriebsbedingungen der
Gasturbine zu richten hat und bei Vollastbetrieb
üblicherweise auf den maximal zulässigen Wert eingestellt
wird, wird man die zur Verbrennung erforderliche Menge
sauerstoffhaltiger Gase derart wählen, daß sich diese
zulässige Höchsttemperatur einstellt. Dabei darf der
Mindestsauerstoffgehalt von 5 Vol.-% jedoch nicht
unterschritten werden. Gegebenenfalls ist für einen
entsprechend hohen Heizwert des Brenngases Sorge zu
tragen. Gegenwärtig betragen die Betriebstemperaturen der
Gasturbine maximal 1200°C.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung
sieht vor, den gegebenenfalls verbleibenden Teil des
Brenngases nahstöchiometrisch unter Bildung NO x -armer
Rauchgase zu verbrennen, zu kühlen und einer zweiten
Gasturbine zuzuführen. Bei der Kühlung ist aus den bereits
vorstehend genannten Gründen möglichst nicht unter die
zulässige Gasturbinen-Eintrittstemperatur zu gehen.
Diese Ausgestaltung der Erfindung wirkt sich insbesondere
vorteilhaft dahingehend aus, daß auch bei Teillastbetrieb
ein hoher Wirkungsgrad erzielbar ist.
Sofern für die Vergasung und/oder Verbrennung mit
Sauerstoff angereicherte Luft bzw. technisch reiner
Sauerstoff eingesetzt wird und zur Erzeugung des
Sauerstoffes eine Luftzerlegungsanlage zur Verfügung
steht, empfiehlt es sich, mindestens einen Teil des
gleichzeitig anfallenden Stickstoffes der oder den
Brennkammer(n) zur Erzeugung der Rauchgase für die
Gasturbine(n) zuzusetzen. Dadurch ist es möglich, dem
Gasturbinenprozeß zusätzliches, durch Aufnahme von
Verbrennungswärme der Brenngase gewonnenes Gasvolumen zur
Verfügung zu stellen (und damit den Wirkungsgrad zu
verbessern). Bei der Kühlung der Brenngase mit Stickstoff
ist jedoch darauf zu achten, daß die zulässige
Eintrittstemperatur der Gasturbine möglichst nicht
unterschritten wird.
Der Grad der Umwandlung der Primärenergie, wie Kohle, in
Brenngas und Dampf und damit letztlich der
Gesamtwirkungsgrad des kombinierten
Gas-/Dampfturbinen-Prozesses ist im wesentlichen von der
zulässigen Eintrittstemperatur des Rauchgases für die
Gasturbine bestimmt. Beispielsweise steigt das Verhältnis
der Leistungen von Gasturbine zu Dampfturbine mit
steigender zulässiger Entrittstemperatur der Rauchgase
zugunsten der Gasturbine. Das bedeutet, daß mit steigender
zulässiger Eintrittstemperatur des Rauchgases das Ausmaß
der Vergasung erhöht und damit das der
Rückstandsverbrennung verringert werden sollte. Bei
Gaseintrittstemperaturen von 1200°C sind Wirkungsgrade um
45% erreichbar.
Die Erfindung wird anhand der Figur und der Beispiele
beispielsweise und näher erläutert.
Die Figur stellt ein Fließschema des erfindungsgemäßen
Verfahrens in vereinfachter Form dar.
Das Brenngas wird in der mit (1) veranschaulichten
zirkulierenden Wirbelschicht, die über die Leitungen (2
bzw. 3 und 4) mit sauerstoffhaltigem Fluidisierungsgas
bzw. mit Dampf bzw. mit Kohle versorgt wird, erzeugt. Es
wird über die Leitung (5) einem ersten Wärmetauscher (6) und
von dort der Vorrichtung (7) zur Entschwefelung
zugeleitet. Nach Durchgang durch einen weiteren
Wärmetauscher (8) erfolgt in der Vorrichtung (9) die
Entfernung von Halogenwasserstoff, insbesondere
Chlorwasserstoff, und in Vorrichtung (10) die Entstaubung.
Die in den Vorrichtungen (7 und 9) erhaltenen, mit
Schadstoffen des Brenngases beladenen Sorptionsmittel
sowie die in der Vorrichtung (10) erhaltenen Stäube werden
über die Leitungen (11, 12, 13) abgeführt.
Das Brenngas gelangt dann über Leitung (14) in die
Brennkammer (15), die zusätzlich mit über Leitung (16)
herangeführtem sauerstoffhaltigem Gas versorgt wird. In
der Brennkammer (15) wird das zum Antrieb der Gasturbine
(17) bestimmte Rauchgas durch überstöchiometrische
Verbrennung erzeugt. Dabei wird die Dosierung des
sauerstoffhaltigen Gases derart gewählt, daß die für den
Betrieb der Gasturbine (17) optimale Temperatur entsteht.
Ein Teil des Abgases der Gasturbine (17) wird der
zirkulierenden Wirbelschicht (20) zur Verbrennung des
Vergasungsrückstandes über Leitung (18 und 19) als
Fluidisierungsgas bzw. als Sekundärgas zugeleitet. Mittels
des Gebläses (21) kann nötigenfalls frisches
sauerstoffhaltiges Fluidisierungsgas eingebracht werden.
Der Vergasungsrückstand wird zusammen mit den beladenen
Sorptionsmitteln und den aus den Brenngasen abgeschiedenen
Stäuben über Leitung (22) eingetragen. Gleichzeitig kann
der zirkulierenden Wirbelschicht (20) weiteres
Entschwefelungsmittel und gegebenenfalls zusätzliche Kohle
zugeführt werden (Leitung 23). Der in den Dampfregistern
(24) der zirkulierenden Wirbelschicht (20) erzeugte Dampf
wird über Leitung (25) den unter Hochdruck, Mitteldruck
und Niederdruck betriebenen Dampfturbinen (26, 27 und 28)
zugeführt. Das Abgas der zirkulierenden Wirbelschicht (20)
gelangt über einen weiteren Wärmetauscher (29) in eine
Entstaubungsanlage (30) und dann in den Kamin (31).
Aus der Gasturbine (17) austretendes, in der
zirkulierenden Wirbelschicht (20) nicht benötigtes
sauerstoffhaltiges Rauchgas kann über Leitung (32) einem
Wärmeaustauschersystem (33) zugeführt und dort in üblicher
Weise gekühlt werden. Es gelangt dann ebenfalls in den
Kamin (31).
In dem mit unterbrochenen Linien umgrenzten Feld befindet
sich eine zweite Gasturbine (34), deren Inbetriebnahme
insbesondere bei Teillastbetrieb vorteilhaft ist. Ihr ist
eine Brennkammer (35) mit Abhitzekessel (36)
vorgeschaltet, die auch als wandgekühlte Brennkammer
ausgebildet sein kann. Im Unterschied zur Betriebsweise
der Gasturbine (17) wird diese mit einem durch
nahstöchiometrische Verbrennung gewonnenen Rauchgas
betrieben. Das Rauchgas wird aus über Leitung (37)
herangeführtem Brenngas und über Leitung (38)
herangeführtem sauerstoffhaltigem Gas erzeugt. Das Abgas
der Gasturbine (34) gelangt über Leitung (39) in Leitung
(32) und wird, wie vorstehend beschrieben, verwertet.
Der besseren Übersicht halber sind in der Figur die den
Turbinen zugeordneten Generatoren nicht dargestellt.
In der zirkulierenden Wirbelschicht (1) werden stündlich
223 000 Nm³ Gas erzeugt. Hierzu werden über Leitung (2)
155 000 Nm³ Luft von 350°C und 20 bar, über Leitung (3)
3,9 t Dampf von 400°C und über Leitung (4) 70 t
Gasflammkohle einer mittleren Korngröße kleiner 6 mm
zugeführt. Die Gasflammkohle (35 Gew.-% flüchtige
Bestandteile, wasser-/aschefrei angegeben) enthält
21,5 Gew.-% Asche
1,5 Gew.-% Wasser
70,5 Gew.-% C + H
2,0 Gew.-% N + S
4,5 Gew.-% O
1,5 Gew.-% Wasser
70,5 Gew.-% C + H
2,0 Gew.-% N + S
4,5 Gew.-% O
und besitzt einen Heizwert H u von 26 MJ/kg. Die
Temperatur in der Vergasungsstufe beträgt 1050°C, der
Kohlenstoffumsatz ca. 85 Gew.-%.
Das erzeugte Gas wird über Leitung (5) abgezogen, im
Wärmeaustauscher (6) auf 900°C gekühlt und in der
Vorrichtung (7) durch Zugabe von 5 t/h CaCO₃
entschwefelt. Die Daten des Gases sind
24,4 Vol.-% CO
4,0 Vol.-% CO₂
11,3 Vol.-% H₂
3,0 Vol.-% H₂O
2,4 Vol.-% CH₄ + C m H n
54,9 Vol.-% N₂
4,0 Vol.-% CO₂
11,3 Vol.-% H₂
3,0 Vol.-% H₂O
2,4 Vol.-% CH₄ + C m H n
54,9 Vol.-% N₂
Sein Heizwert beträgt 5,3 kJ/Nm³.
Nach weiterer Gaskühlung auf 400°C im Wärmetauscher (8)
und Beseitigung von restlichen Schadgasen, insbesondere
HCl, mittels Ca(OH)₂ auf Werte kleiner 10 mg/Nm³ in
der Vorrichtung (9) wird das Gas in der Vorrichtung (10)
auf Werte kleiner 10 mg/Nm³ entstaubt.
Das Gas wird dann der Brennkammer (15) über Leitung (14)
zugeführt und dort mit dem 3,6fachen des
stöchiometrischen Bedarfes an Luft, die über Leitung (16)
eingetragen wird, verbrannt. Das dabei entstehende
Rauchgas von 1100°C wird anschließend in der Gasturbine
(17) entspannt. Das Abgas der Gasturbine besitzt eine
Temperatur von 550°C, einen Druck von 1,35 bar, einen
Sauerstoffgehalt von 13 Vol.-% und einen NO x -Gehalt von
200 mg/Nm³. Die Klemmenleistung des der Gasturbine (17)
zugeordneten Generators beträgt 97 MW.
Der Vergasungsrückstand von 26,7 t/h sowie die Austräge
aus den Vorrichtungen (7, 9 und 10) in eine Gesamtmenge von
5,0 t/h werden mit einer Mischtemperatur von 955°C über
Leitung (22) der zirkulierenden Wirbelschicht (20)
zugeleitet. Dort erfolgt die Verbrennung mit 25%igem
Sauerstoffüberschuß bei 850°C. Die Aufteilung der Volumina
Fluidisierungsgas zu Sekundärgas erfolgt im Verhältnis
30 : 70, wobei sich das Fluidisierungsgas zu 1/3 aus Luft
(Gebläse 21) und zu 2/3 aus über Leitung (18) zugeführtem
Gasturbinenabgas zusammensetzt und eine Temperatur von
300°C aufweist. Das Sekundärgas für den
Wirbelschichtreaktor (20) besteht ausschließlich aus
Gasturbinenabgas von 550°C (Leitung 19). Insgesamt
gelangen damit 10 Vol.-% des Gasturbinenabgases in die
zirkulierende Wirbelschicht (20). In der zirkulierenden
Wirbelschicht (20) wird Dampf von 100 bar und 535°C
erzeugt, der dem Dampfturbinensatz (26, 27 und 28) über
Leitung (25) aufgegeben wird. Der diesen Dampfturbinen
zugeordnete Generator liefert eine Netto-Leistung von
116 MW.
Das Abgas der zirkulierenden Wirbelschicht (20) wird im
Wärmeaustauscher (29) gekühlt, in der Anlage (30)
entstaubt und dem Kamin (31) zugeleitet. Aufgrund der
günstigen Verbrennungsbedingungen liegen die NO x -Werte
unter 175 mg/Nm³ und die SO x -Werte unter 200 mg/Nm³.
Das nicht in den Verbrennungsprozeß eingesetzte
Gasturbinenabgas (90 Vol.-%) wird über Leitung (32) dem
Wärmetauschersystem (33) zugeführt, dort unter
Kondensatvorwärmung und Dampferzeugung auf 100°C gekühlt
und schließlich dem Kamin (31) zugeleitet.
Der im vorliegenden Beispiel erreichte Gesamtwirkungsgrad
beträgt 42%, wobei sich die Leistungsanteile von
Dampf- und Gasturbine wie etwa 1 : 0,83 verhalten.
Die Vergasung, Gaskühlung und Gasreinigung erfolgte unter
den gleichen Bedingungen und mit den Mengenströmen wie im
Beispiel 1.
40% des in der Vergasungsstufe (1) erzeugten Brenngases
werden mit einem Luftüberschuß von 5% in der unter Druck
stehenden Brennkammer (35) zu einem Rauchgas von 1100°C
verbrannt und in der Gasturbine (34) entspannt. Das Abgas
der Gasturbine (34) besitzt eine Temperatur von 550°C,
einen Druck von ca. 1 bar und einen Sauerstoffgehalt von
ca. 1 Vol.-%. Es wird im Wärmetauschersystem (33) gekühlt
und mit ca. 100°C in den Kamin (31) gegeben.
Die Klemmenleistung des der Gasturbine (34) zugeordneten
Generators beträgt 26 MW.
Der überwiegende Teil des Brenngases, nämlich die
verbleibenden 60%, werden über Leitung (14) der
Brennkammer (15) zugeleitet und unter Zugabe von Luft des
3,6fachen stöchiometrischen Bedarfs verbrannt. Das dabei
gebildete Rauchgas von 1100°C wird anschließend in der
Gasturbine (17) entspannt und dabei auf 550°C abgekühlt.
Das Gasturbinenabgas hat einen Sauerstoffgehalt von
13 Vol.-% und einen Druck von 1,35 bar.
Der Generator der Gasturbine (17) liefert eine
Klemmenleistung von 58 MW.
Der Vergasungsrückstand von 26,7 t/h sowie die Austräge
aus den Vorrichtungen (7, 9 und 10) in einer Gesamtmenge
von 5 t/h werden durch Leitung (22) der zirkulierenden
Wirbelschicht (20) aufgegeben und dort bei 850°C mit einem
Sauerstoffüberschuß von 25% verbrannt. Wie im Falle des
Beispiels 1 beträgt die Aufteilung der Volumina
Fluidisierungsgas zu Sekundärgas 30 : 70, wobei sich das
Fluidisierungsgas zu 1/3 aus Luft (Gebläse 21) und zu 2/3
aus über Leitung (18) zugeführtem Gasturbinenabgas
zusammensetzt. Dessen Temperatur liegt bei 300°C. Das
Sekundärgas für den Wirbelschichtreaktor (20) besteht
ausschließlich aus Gasturbinenabgas von 550°C (Leitung
19). Damit gelangen insgesamt 17 Vol.-% des
Gasturbinenabgases in die zirkulierende Wirbelschicht.
In der zirkulierenden Wirbelschicht (20) wird Dampf von
100 bar und 535°C erzeugt, der dem Dampfturbinensatz (26,
27 und 28) über Leitung (25) aufgegeben wird. Der
Generator dieses Dampfturbinensatzes liefert eine
Netto-Leistung von 129 MW.
Die Führung des Abgases der zirkulierenden Wirbelschicht
(20) sowie des nicht in den Verbrennungsprozeß
eingesetzten Gasturbinenabgases geschieht wie in Beispiel
1.
Auch in dem vorliegenden Beispiel beträgt der
Gesamtwirkungsgrad 42%.
Claims (4)
1. Verfahren zum Betreiben eines kombinierten
Gasturbinen-/Dampfturbinen-Prozesses, bei dem der
Gasturbinen-Prozeß mittels eines aus festem
kohlenstoffhaltigem Material gewonnenen und danach
entschwefelten Brenngases und der Dampfturbinen-Prozeß
mittels des bei der Verbrennung des
kohlenstoffhaltigen Vergasungsrückstandes gewonnenen
Dampfes betrieben wird und bei dem die Verbrennung des
kohlenstoffhaltigen Vergasungsrückstandes mit
sauerstoffhaltigen Abgasen des Gasturbinen-Prozesses
erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß man das Brenngas
in einer zirkulierenden Wirbelschicht durch Vergasung
von 70 bis 95 Gew.-% des Kohlenstoffgehalts im
kohlenstoffhaltigen Material bei einer Temperatur von
900 bis 1100°C erzeugt, im Suspensionszustand bei 850
bis 950°C mit Kalziumhydroxid, Kalziumoxid und/oder
kalziumkarbonathaltigem Feststoff von Schadstoffen
befreit und zum überwiegenden Teil für den Betrieb der
Gasturbine zu einem mindestens 5 Vol.-% Sauerstoff
enthaltenden Gas von mindestens 1000°C verbrennt, die
Verbrennung des kohlenstoffhaltigen
Vergasungsrückstandes unter Erzeugung von Prozeßdampf
in einer weiteren zirkulierenden Wirbelschicht bei
einer Temperatur von 800 bis 950°C nahstöchiometrisch
mit mindestens 2 Teilströmen in unterschiedlicher Höhe
zugeführten sauerstoffhaltigen Gasen, die zum
überwiegenden Teil aus dem Gasturbinenabgas gebildet
werden, durchführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
man das Brenngas durch Vergasung von mindestens 80
Gew.-% des Kohlenstoffgehaltes des kohlenstoffhaltigen
Materials erzeugt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß man die entschwefelten Brenngase
auf eine Temperatur im Bereich von 350 bis 600°C kühlt
und von Halogeniden befreit.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß man den gegebenenfalls
verbleibenden Teil des Brenngases nahstöchiometrisch
verbrennt, kühlt und einer zweiten Gasturbine zuführt.
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