DE3642619A1

DE3642619A1 - Kombiniertes gas/dampfturbinenkraftwerk mit wirbelschichtkohlevergasung

Info

Publication number: DE3642619A1
Application number: DE19863642619
Authority: DE
Inventors: Dilip Dipl Ing Dr Mukherjee
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1986-12-13
Filing date: 1986-12-13
Publication date: 1988-06-23

Description

Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Gas/Dampfturbinenkraft werk mit Wirbelschichtkohlevergasung, mit einer Gasturbogruppe und einer Dampfturbogruppe, wobei die Brennkammer der Gasturbo gruppe mit in einem Wirbelschichtbett eines Kohlevergasers er zeugten und in einer Brenngasleitung fortgeleitetem Brenngas be treibbar ist und die Dampfturbogruppe einen ersten Teil des Dampfes aus einem Dampfkessel erhält, der in einem Wärmetauscher durch die Brenngase beheizbar ist, und wobei ein zweiter Teil des Dampfes für die Dampfturbogruppe aus einem durch die Abgase der Gasturbine beheizbaren Abhitzekessel stammt, ferner mit einem Kohleförderer für die Zuführung von Kohle in den Kohlever gaser, mit einer Beschickungseinrichtung für die Einbringung der Entschwefelungszuschläge in den Kohlevergaser sowie mit Rück führzyklonen zur Abscheidung fester Wirbelschichtteilchen aus dem Brenngas und deren Rückführung in das Wirbelschichtbett, ferner mit Abscheide- und Filtereinrichtungen für die festen Verunreinigungen des Brenngases sowie mit einer Zapfdampfleitung für die Zufuhr von Dampf aus der Dampfturbine in den Kohlever gaser.

Es ist bekannt, zur schadstoffarmen Strom- und Wärmeerzeugung aus Kohle konventionelle Kohlefeuerungsanlagen mit Einrichtungen zur Rauchgasnachbehandlung, d. h. vor allem, zum Entschwefeln und Entsticken, auszurüsten. In Entwicklung befinden sich mit der gleichen Zielsetzung einer schadstoffarmen Verbrennung Wirbel schichtfeuerungsanlagen, wobei die Bauart mit Verbrennung unter atmosphärischem Druck praktisch Marktreife erlangt hat und vom Typ mit Überdruckverbrennung, dem Druckwirbelschichtkessel, bereits demonstrationsreife Ausführungen bekannt sind.

Zu den umweltfreundlichen Konzeptionen zur Strom- und Wärmeer zeugung gehören auch Gas/Dampfturbinenkombikraftwerke mit Kohle vergasungsanlagen. Einige solcher Kraftwerksanlagen sind schon erprobt, andere haben ihre Brauchbarkeit im Versuchsbetrieb be wiesen. Diese Konzeptionen lassen zwar eine verbesserte Wirt schaftlichkeit erwarten, doch scheinen diese Vorteile doch noch nicht so groß zu sein, daß sich ihre praktische Anwendung schon jetzt aufdrängen würde. Dazu kommen aber noch einige Nach teile, die mit dem jeweils angewandten Verfahren zur Reinigung der Brenngase und der Rauchgase zusammenhängen.

Zum Beispiel ist die Nachbehandlung der Brenngase bei den Verfahren nach Lurgi, Texaco und Shell verlustbehaftet, da das Brenngas naß gereinigt und dadurch abgekühlt wird. Bei einer Gastur bineneintrittstemperatur von 1100°C kommt man daher mit dem Wirkungsgrad nicht über 38% hinaus. Außerdem erfordern diese Verfahren zur Reduktion der Stickoxide spezielle Maßnahmen in der Brennkammer der Gasturbine. Zwei andere bekannte Verfahren, das KRW-Verfahren und das U-Gas-Verfahren von IGT, verwenden Reinigungsanlagen für das Brenngas, die bei ca. 500°C arbeiten. Diese Verfahren haben den Nachteil, daß die Kohlenstoff umsetzung im Vergaser in den reduzierenden Zonen höchstens zu 96% stattfindet und der Entschwefelungswirkungsgrad im Verga ser bei Zugabe von Kalkstein oder Dolomit auch nur bei 90% liegt. Für die weitere Entschwefelung ist eine zweite Stufe, z. B. ein Zink-Ferrit-Festbett, vorgesehen. Das Regenerations verfahren für Zink-Ferrit ist aber sehr aufwendig und beein trächtigt daher die Wirtschaftlichkeit der Anlage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem kombinierten Gas/Dampfturbinenkraftwerk mit Wirbelschichtkohlevergasung den Vergasungsvorgang und die Rauchgasnachbehandlung so zu ge stalten, daß die vorstehend beschriebenen Nachteile der be kannten einschlägigen Anlagen vermieden werden.

Darstellung der Erfindung

Das erfindungsgemäße kombinierte Gas/Dampfturbinenkraftwerk mit Wirbelschichtkohlevergasung ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

- Einen Wirbelbettkessel, dem über eine Wirbelschichtverbin dungsleitung aus dem Kohlevergaser ein Teil der Wirbelschicht bestandteile zugeführt wird, um dort verbrannt zu werden, und in dem zusätzlicher Dampf für die Dampfturbine erzeugt wird, wobei dieser Dampf mit dem erwähnten ersten und zweiten Teil des Dampfes in einer Dampfsammelleitung vor der Dampfturbine zusammengefaßt wird.
- eine Abgasrückführleitung zwischen dem Wirbelschichtkessel und dem Kohlevergaser, sowie durch
- eine Verdichterluftzapfleitung zwischen dem Verdichter der Gasturbine und dem Wirbelschichtkessel zur Zufuhr von Verbren nungsluft in denselben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Anlage mit den erfindungswesentlichen Bauteilen.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Vergasung der Kohle erfolgt in einem Kohlevergaser 1. Sie wird diesem über einen Kohleförderer 2 in Form eines Gemisches aus Kohle und Wasser zugeführt, wo sie unter Zusatz von Dampf, der aus einer Dampfturbine 3 abgezapft und über eine Zapfdampf leitung 4 in den Vergaser eingeführt wird, auf bekannte Weise zu einem Generatorgas umgewandelt wird, das im folgenden als Brenngas bezeichnet wird. Durch eine Beschickungseinrichtung 6 gelangt die zur Entschwefelung erforderliche Menge von Kalkstein oder Dolomit in das Wirbelschichtbett 5, das im unteren Teil des Vergasers 1 durch die Verbrennung aufrechterhalten wird. Im Vergaser, in dem die Kohle in reduzierender Atmosphäre bei ca. 850°C vergast wird, können über 90% des Schwefelgehaltes an die Zuschläge gebunden werden. Die oben aus dem Vergaser ent weichenden Brenngase gelangen durch eine Brenngasleitung 7 über einen Rückführzyklon 8 in einen Nachentschwefelungsbehälter 9 mit einem Druckwirbelschichtbett, der aus einem kleinen Wirbelbettofen 10 kalzinierten Kalkstein oder Dolomit erhält, die aus der Beschickungseinrichtung 6 über eine Beschickungs leitung 11 in den Wirbelbettofen 10 abgezweigt und durch aus der Brenngasleitung 7 über eine Brenngaszapfleitung 12 abgezapftes Brenngas bei 850°C gebrannt werden. Die Verwendung eines vom Vergaser 1 getrennten Wirbelbettofens 10 hat den Vorteil, daß das beim Kalzinieren entstehende Kohlenoxid dem Brenngas erst nach der zweiten Entschwefelungsstufe zugeführt wird. Wegen der zur Erhöhung des Kohleausbrands vorgesehenen zirkulierenden Wirbelschicht, auf die unten noch eingegangen wird, in Verbin dung mit der Vorkalzinierung in der zweiten Entschwefelungsstufe erhält man einen hohen Entschwefelungswirkungsgrad von über 95 bis maximal 98%.

Aus dem Nachentschwefelungsbehälter 9 wird das Brenngas über einen weiteren Rückführzyklon 13 in einen Wärmetauscher 14 ge leitet, wo es durch Wärmeabgabe an einen zum Dampfkreislauf der Dampfturbine 3 gehörenden Dampfkessel 15 auf 400 bis 500°C abgekühlt wird.

Die Feststoffe im Nachentschwefelungsbehälter 9 sowie die in den Rückführzyklonen 8 und 13 abgeschiedenen Feststoffteilchen werden über Rückführleitungen 16, 17, 18 und 19 in das Wirbel schichtbett des Vergasers 1 zurückgeführt. Die abgeschiedenen Teilchen können aus dem Zyklon 13 über eine Klappe in einer Ascheabscheideleitung 18′ von 18 abgezogen werden.

Das im Wärmetauscher 14 auf 400 bis 500°C abgekühlte Brenngas wird in einem Zyklon 20 und einem Elektro- oder Schlauchfilter 21, beide mit durch die Pfeile angedeuteten Abzugsmöglichkeiten für die ausgefilterten Partikel, weiter gereinigt, bevor es in der Gasturbinenbrennkammer 22 unter Luftzufuhr aus einem Verdichter 24 der Gasturbine 23 verbrannt wird. Die in der Turbine 25 entspannten Treibgase geben einen Teil ihrer Wärme in einem Abhitzekessel 26 an den Dampfkreislauf ab, bevor sie durch einen nicht dargestellten Kamin als Abgase ins Freie treten.

Der Verdichter 24 der Gasturbine, die einen Generator 27 an treibt, liefert nicht nur über eine Verdichterluftleitung 28 die Verbrennungsluft an die Brennkammer 22, sondern auch über eine Verdichterluftzapfleitung 29 die Verbrennungsluft, die durch einen Hochdruckverdichter 31 auf höheren Druck gebracht wird, für einen Wirbelschichtkessel 30, der einen Teil des Dampfes für die Dampfturbogruppe, bestehend aus der Dampfturbine 3 und einem damit gekuppelten Generator 32. Das Wasser für den im Kessel 30 zu erzeugenden Dampf wird aus dem Dampfkreislauf, der neben den bereits genannten Elementen noch einen Kondensator 33, eine Speisewasserpumpe 34 und einen Speisewasservorwärmer 35 enthält, hinter dem Abhitzekessel 26 abgezweigt und über eine erste Speisewasserleitung 36 den Heizflächen des Kessels 30 zugeführt, während der restliche Teil über eine zweite Speisewasserleitung 37 dem Dampfkessel 15 im Wärmetauscher 14 zugeführt wird. Die in den beiden Kesseln 30 und 15 gebildeten Dampfanteile strömen durch eine erste und eine zweite Dampfleitung 38 bzw. 39 in eine Dampfsammelleitung 40 und weiter in die Dampfturbine 3. Der für die Vorwärmung des Speisewassers im Vorwärmer 35 benötigte Dampf wird der Dampfturbine 3 über die Zapfdampfleitung 41 entnommen.

Die eingangs erwähnte Zirkulation der Wirbelschicht zur Erhöhung des Kohleausbrandes besteht darin, daß die Wirbelschicht aus dem Bett 5 des Vergasers 1 durch eine Wirbelschichtverbindungs leitung 42 in den Wirbelschichtkessel 30 fließt, wo durch die vom Verdichter 24 abgezweigte Luft eine Kohleausnützung bis zu 99% erreicht wird. Das Abgas gelangt aus dem Kessel durch eine Abgasrückführleitung 43 mit einem dazwischengeschalteten Rück führzyklon 44 wieder in den Vergaser 1 zurück. Der im Zyklon 44 abgeschiedene Staub gelangt durch eine Rückführleitung 45 in das Wirbelschichtbett zurück. Durch einen Aschenabzug 46 wird periodisch die Asche aus dem Kessel 30 abgezogen.

Vorteilhaft gegenüber Anlagen dieser Art, die bei Kohle mit mittlerem Heizwert eine Sauerstoffanlage für den Vergaser er fordern, ist die bei der vorliegenden Bauart verwendete Verga sung mit Luft. Die weiteren Vorteile sind ein höherer Nettowir kungsgrad infolge geringerer Verluste und guter Kohleausnützung, niedrigere Investitionskosten, da die Druckwirbelschichtanlage für kleine Brenngasvolumen zu dimensionieren ist und wegen der zirkulierenden Wirbelschicht mit Vorkalzinierung in einer zweiten Stufe ein hoher Entschwefelungswirkungsgrad von 95 bis zu 98% erreicht wird. Wegen der niedrigeren Heizwerte des Brenngases ergeben sich auch niedrigere NO_x-Werte. Und schließlich sind die an der Gasturbine vorzunehmenden Modifikationen geringfügig.

Claims

1. Kombiniertes Gas/Dampfturbinenkraftwerk mit Wirbelschicht kohlevergasung, mit einer Gasturbogruppe (22 + 24 + 25 + 27) und einer Dampfturbogruppe (3 + 32 bis 35), wobei die Brennkammer (22) der Gasturbogruppe (22 + 24 + 25 + 27) mit in einem Wirbelschichtbett eines Kohlevergasers (1) erzeugtem und in einer Brenngasleitung (7) fortgeleitetem Brenngas betreibbar ist und die Dampfturbogruppe (3 + 32 bis 35) einen ersten Teil des Dampfes aus einem Dampfkessel (15) erhält, der in einem Wärmetauscher (14) durch die Brenngase beheizbar ist, und wobei ein zweiter Teil des Dampfes für die Dampfturbogruppe (3 + 32 bis 35) aus einem durch die Abgase der Gasturbine (23) beheizbaren Abhitzekessel (26) stammt, ferner mit einem Kohleförderer (2) für die Zuführung von Kohle in den Kohlevergaser (1), mit einer Beschickungseinrichtung (6) für die Einbringung der Entschwefe lungszuschläge in den Kohlevergaser sowie mit Rückführzyklonen (8, 13, 16 bis 18, 18′, 19) zur Abscheidung fester Wirbelschicht teilchen aus dem Brenngas und deren Rückführung in das Wirbel schichtbett, ferner mit Abscheide- und Filtereinrichtungen (20 bzw. 21) für die festen Verunreinigungen des Brenngases sowie mit einer Zapfdampfleitung (4) für die Zufuhr von Dampf aus der Dampfturbine (3) in den Kohlevergaser (1), gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

- Einen Wirbelbettkessel (30), dem über eine Wirbelschicht verbindungsleitung (42) aus dem Kohlevergaser (1) ein Teil der Wirbelschichtbestandteile zugeführt wird, um dort verbrannt zu werden, und in dem zusätzlicher Dampf für die Dampfturbine (3) erzeugt wird, wobei dieser Dampf mit dem erwähnten ersten und zweiten Teil des Dampfes in einer Dampfsammelleitung (40) vor der Dampfturbine (3) zusammengefaßt wird,
- eine Abgasrückführleitung (43) zwischen dem Wirbelschicht kessel (30) und dem Kohlevergaser (1), sowie durch
- eine Verdichterluftzapfleitung (29) zwischen dem Verdichter (24) der Gasturbine (23) und dem Wirbelschichtkessel (30) zur Zufuhr von Verbrennungsluft in denselben.

2. Kombiniertes Gas/Dampfturbinenkraftwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dem Kohlevergaser (1) in Strömungs richtung des Brenngases nachgeschalteten Nachentschwefelungsbe hälter (9) mit einem Wirbelbett und einem diesem Behälter vorge schalteten, durch Brenngase aus dem Kohlevergaser (1) beheizten Wirbelbettofen (10) zum Kalzimieren von Entschwefelungs zuschlägen, die zur Nachentschwefelung in den Nachent schwefelungsbehälter (9) gefördert werden, wobei die aus dem Wirbelbettofen (10) und dem Nachentschwefelungsbehälter (9) abströmenden Brenngase in der Brenngasleitung (7) gesammelt werden.

3. Kombiniertes Gas/Dampfturbinenkraftwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Hochdruckverdichter (31) in der Ver dichterluftzapfenleitung (29) vor dem Wirbelschichtkessel (30) sowie durch einen Rückführzyklon (44) in der Abgasrückführ leitung (43) und eine Rückführleitung (45) zwischen dem Rück führzyklon (44) und dem Wirbelschichtkessel (30).