DE3814242A1 - Dampfkraftwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Dampfkraftwerk mit einem durch eine Verbrennungsanlage beheizten Dampferzeuger.

Die Dampferzeuger solcher Dampfkraftwerke können häufig mit Schweröl beheizt werden. Diese Art der Beheizung erfordert weniger Investitionsaufwand als beispielsweise die Beheizung mit Kohlenstaub. Dafür müssen aber relativ hohe Brennstoffko­ sten in Kauf genommen werden.

In Erdölraffinerien wird das Rohöl in hintereinandergeschal­ teten Trennkolonnen in verschiedene Fraktionen aufgeteilt, die sich durch ihre Siedepunkte unterscheiden. Dabei bleibt zuletzt ein hochviskoser bis teerartiger Rückstand zurück. Dieser läßt sich nur schwer verkaufen. Meist wird er in der Asphaltindustrie verwendet. Bestrebungen, diesen preiswerteren hochviskosen Raf­ finerierückstand in Kraftwerken zu verbrennen, zielten bisher in zwei Richtungen:

Zum Einen wurde versucht, diese hochviskosen Raffinerierückstän­ de mit wertvolleren, dünnflüssigeren Fraktionen zu mischen, um ihre Viskosität soweit herunterzudrücken, daß sie bei nicht all­ zu hohen Temperaturen wieder pumpbar und in Brennern zerstäub­ bar werden. Dabei muß jedoch in Kauf genommen werden, daß der Kostenvorteil dieser hochviskosen Raffinerierückstände zum Teil wieder verloren geht.

Des weiteren wurde versucht, diese hochviskosen Raffinerierück­ stände bei entsprechend hohen Temperaturen, bei denen sie noch flüssig sind, zu pumpen und nach einer weiteren Aufheizung zu verbrennen. Weil eine ordnungsgemäße Verbrennung nur nach dem Versprühen solcher Kohlenwasserstoffe möglich ist, ein Versprü­ hen aber eine noch niedrigere Viskosität (ca. 25 cSt) erfordert als jene, die für das Pumpen ausreichend ist, ist vor der Ver­ brennung eine weitere Aufheizung erforderlich. Bei den hierfür benötigten hohen Temperaturen vergrößert sich jedoch die Gefahr eines unkontrollierten Zündens. Außerdem würde eine solche Auf­ heizung wegen des hohen erforderlichen Temperaturniveaus eine Anzapfung am Hochdruckteil der Dampfturbine oder die Verwendung von Frischdampf zur Folge haben. Allgemein erschwerend kommt hinzu, daß in diesen hochviskosen Rückständen konzentriert kor­ rosionsverursachende Bestandteile und Schwefel enthalten sind. Das nach der Verbrennung entstandene Rauchgas kann so sowohl Hochtemperatur- als auch Tieftemperaturkorrosion verursachen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, wie die hochviskosen Raffinerierückstände in sinnvoller Weise vollständig im Kraftwerk verbrannt werden können. Dabei soll der Kostenvorteil, den diese Raffinerierückstände mit sich bringen, weder durch allzu hohe Aufwendungen im Kraftwerk, noch durch Zukauf wertvollerer Brennstoffe aufgebraucht werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungungen dieser Lösung sind den Ansprüchen 2 bis 7 zu entnehmen.

Dadurch, daß der Verbrennungsanlage des Dampferzeugers brenn­ stoffseitig ein Röhrenofen zur Aufheizung von hochviskosen Raffinerierückständen auf 400 bis 600°C mit einer nachgeschal­ teten Trennkolonne zur Abtrennung der gas- und dampfförmigen Produkte von den übrigen Rückstandsanteilen vorgeschaltet ist, wobei die Abzugsleitung für die übrigen Rückstandsanteile am unteren Ende der Trennkolonne an die Verbrennungsanlage des Dampferzeugers angeschlossen ist, wird erreicht, daß diese hochviskose Raffinerierückstände ohne Mischung mit wertvolle­ ren, leichteren Raffinerieprodukten zur Dampferzeugung heran­ gezogen werden können. In dem Röhrenofen findet ein thermisches Kracken statt, durch das die langen, für die hohe Viskosität verantwortlichen, Kohlenwasserstoffketten aufgebrochen werden. Es entsteht ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen mit insgesamt geringerer Viskosität. Diese Viskosität ist soweit herabge­ setzt, daß auch die am unteren Ende der Trennkolonne abziehbare Fraktion bei wesentlich niedrigeren Temperaturen pumpbar und lagerbar ist und für die Verbrennung in Schwerölbrennern nicht mehr so stark aufgeheizt werden muß.

Zwar ist es in der petrochemischen Industrie bekannt, die De­ stillationsprodukte mit höherer Viskosität bei erhöhten Tempe­ raturen zu kracken, um die Ausbeute an leichten Fraktionen zu erhöhen. Aber hierbei blieb immer ein hochviskoser Rückstand übrig, der bisher im wesentlichen nur noch an die Asphaltin­ dustrie verkauft werden konnte. Auch dieser Anteil wird nunmehr unter Nutzung der Technik für Schwerölverbrennung durch die vor­ liegende Erfindung vollständig zur Energieerzeugung heranzieh­ bar.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Abzugs­ leitung am Kopf der Trennkolonne in eine Kondensationseinrich­ tung münden, deren Kopfprodukt als Heizmedium für den Röhren­ ofen dient. Diese Maßnahme erspart den Einkauf eines besonde­ ren Heizmediums für den Betrieb des Röhrenofens.

In Ausgestaltung der Erfindung kann das am unteren Ende der Kondensationseinrichtung abgezogene Produkt der Verbrennungs­ anlage des Dampferzeugers zugeleitet werden. Hierbei wird durch die Zumischung der beim Krackvorgang gewonnenen dünnflüssigeren Fraktion eine weitere Herabsetzung der Viskosität der am unte­ ren Ende der Trennkolonne abgezogenen und in die Brennkammer des Dampferzeugers geleiteten Fraktion erreicht.

Eine besonders vorteilhafte und zugleich einen besonders hohen Wirkungsgrad des Kraftwerkes nach sich ziehende Lösung ergibt sich, wenn dem Dampferzeuger ein Gasturbinenkraftwerk vorge­ schaltet wird, dessen Abgase der Verbrennungsanlage des Dampf­ erzeugers als Wärme- und Sauerstoffträger zugeführt werden. Das am unteren Ende der Kondensationsvorrichtung abgezogene Produkt wird dabei der Brennkammer der Gasturbine als Brennstoff zuge­ leitet. In diesem Fall kommt zu dem ohnehin sehr hohen Gesamt­ wirkungsgrad eines kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraft­ werks hinzu, daß selbst die Gasturbine, wenn auch indirekt, mit den hochviskosen Raffinerierückständen betrieben werden kann, da die korrosiven Bestandteile des Einsatzproduktes in den schwe­ ren Rückständen verbleiben, die am unteren Ende der Trennkolon­ ne abgezogen werden und somit nicht in die besonders empfind­ liche Gasturbine gelangen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand zweier in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Dampfturbinenkraft­ werkes mit einer vorgeschalteten Anlage zur Aufbereitung hochviskoser Raffinerierückstände und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerkes mit einer Anlage zur Auf­ bereitung hochviskoser Raffinerierückstände.

In der Fig. 1 erkennt man ein Dampfturbinenkraftwerk 1 mit ei­ ner vorgeschalteten Anlage 2 zur Aufbereitung von hochviskosen Raffinerierückständen. In der schematischen Darstellung des Dampfturbinenkraftwerks erkennt man einen Speisewasserbehälter 3, und zu diesem in Serie geschaltet eine Speisewasserpumpe 4, Speisewasservorwärmer 5, Dampferzeuger 6, Überhitzer 7 und eine an letzteren angeschlossene Hochdruckdampfturbine 8. Die Ab­ dampfleitung 9 der Hochdruckdampfturbine 8 ist über einen Zwi­ schenüberhitzer 10 an eine Mitteldruckdampfturbine 11 und Nie­ derdruckdampfturbine 12 angeschlossen. Die Abdampfleitung 13 der Niederdruckdampfturbine 11 ist an einen Kondensator 14 an­ geschlossen, der über eine Kondensatpumpe 15 mit dem Speise­ wasserbehälter 3 verbunden ist. Die Abdampfleitung 9 der Hoch­ druckdampfturbine 8 ist außerdem an den Speisewasservorwärmer 5 und Speisewasserbehälter 3 angeschlossen. Die Hochdruck-, Mit­ teldruck- und Niederdruckdampfturbinen sitzen zusammen mit dem anzutreibenden Generator 16 auf einer gemeinsamen Welle 17.

Die Anlage 2 zur Aufbereitung der hochviskosen Raffinerierück­ stände besteht aus einem Röhrenofen 18, eine an diesen ange­ schlossenen Trennkolonne 19, eine an der kopfseitigen Abzugs­ leitung 20 der Trennkolonne angeschlossenen Kondensationsein­ richtung 21, die auch mit der Trennkolonne zusammengefaßt sein kann, und aus einem Speicher 22 für die am unteren Ende der Kondensationseinrichtung mittels einer Förderpumpe 23 abgezo­ gene flüssige Fraktion. Die kopfseitige Abzugsleitung 24 der Kondensationseinrichtung 21 ist an die Brennstoffzuführungslei­ tung 25 des Röhrenofens 18 angeschlossen. Die Abzugsleitung 26 am unteren Ende der Trennkolonne 19 ist mit einer Förderpumpe 27 versehen und an die Schwerölbrenner 28 des Dampferzeugers 6 angeschlossen. Auch hier kann ein Speicher zwischengeschaltet werden. In die Brenner mündet auch die Frischluftleitung 29, die von einem motorgetriebenen Frischluftgebläse 30 gespeist wird. Der Speicher 22 ist ausgangsseitig ebenfalls an die zu den Schwerölbrennern 28 des Dampferzeugers führende Brennstoff­ leitung 26 angeschlossen.

Beim Betrieb des Dampfturbinenkraftwerks 1 gelangen in hier nicht weiter dargestellter Weise vorgewärmte, hochviskose Raf­ finerierückstände in den Röhrenofen 18 und werden dort im Aus­ führungsbeispiel auf 450 bis 500°C aufgeheizt. Dabei sind die Längen der Heizschlangen im Röhrenofen in Abhängigkeit von der vorgesehenen Strömungsgeschwindigkeit so ausgelegt, daß die hochviskosen Raffinerierückstände einige Minuten lang einer Temperatur von über 450°C ausgesetzt sind. Bei dieser Tempera­ tur zerbrechen die langen Molekülketten, wobei kürzere und auch ganz kurze Kohlenwasserstoffketten entstehen. Dabei wird die Viskosität stark herabgesetzt. Das solchermaßen gebildete und bei dieser Temperatur gut fließende Gemisch von Kohlenwasser­ stoffen gelangt in die Trennkolonne 19. Dort trennt es sich in einer am Kopf der Trennkolonne abziehbare gas- bzw. dampfförmi­ ge und eine sich am unteren Ende der Trennkolonne 19 sammelnde flüssige Fraktion auf. Die am Kopf der Trennkolonne 19 im Aus­ führungsbeispiel bei ca. 400 bis 450°C abziehbare gas- und dampfförmige Komponente wird anschließend in der Kondensations­ einrichtung 21, die als Trennkolonne ausgebildet ist, auf etwa Umgebungstemperatur abgekühlt. Dabei sammelt sich am unteren Ende der Kondensationseinrichtung 21 eine bei dieser Tempera­ tur flüssige Fraktion an. Am Kopf der Kondensationseinrichtung kann auch bei dieser Temperatur eine gasförmige Fraktion abge­ zogen werden. Diese gasförmige Fraktion wird am Kopf der Konden­ sationseinrichtung 21 über eine Abzugsleitung 24 abgezogen und dem Röhrenofen 18 als Brennstoff zugeführt. Die am unteren Ende der Trennkolonne 19 bei der dort herrschenden Temperatur von ca. 400°C anfallende flüssige Fraktion wird über eine weitere Förderpumpe 27 in die Schwerölbrenner 28 des Dampferzeugers 6 gefördert und dort zusammen mit der vom Frischluftgebläse 30 geförderten Frischluft verbrannt. Sie könnte auch in einen be­ heizten Speicher (nicht dargestellt) zwischengespeichert und bedarfsweise abgerufen werden. Die sich am unteren Ende der Kondensationseinrichtung 21 ansammelnde flüssige Fraktion wird über eine Förderpumpe 23 in einen Speicher 22 gepumpt. Sie kann von dort bei Bedarf abgezogen und der zu den Schwerölbrennern führenden Leitung 26 zugemischt werden. Sie kann aber auch ei­ ner getrennten, anderweitigen Verwendung zugeführt werden.

Der im Dampferzeuger 6 erzeugte Dampf wird im Überhitzer 7 ge­ trocknet und überhitzt und in die Hochdruckdampfturbine 8 gelei­ tet. Der Abdampf der Hochdruckdampfturbine wird im Zwischenüber­ hitzer 10 neu aufgeheizt und als Mitteldruckdampf der auf der­ selben Welle 17 sitzenden Mitteldruckdampfturbine 11 und der hierzu in Serie geschalteten Niederdruckdampfturbine 12 zuge­ führt. Der Abdampf der Niederdruckdampfturbine 12 wird in dem Kondensator 14 kondensiert und das erhaltene Kondensat über die Kondensatpumpe 15 in den Speisewasserbehälter 3 gepumpt. Vom Speisewasserbehälter wird das Speisewasser über die Speisewas­ serpumpe 4 in den Speisewasservorwärmer 5 und von dort erneut in den Dampferzeuger gefördert. Der Speisewasservorwärmer 5 kann über einen Teil des Abdampfes der Hochdruckdampfturbine 8, der aus der Abdampfleitung 9 abgezweigt wird, beheizt werden.

Bei dieser Bauweise eines Dampfturbinenkraftwerkes 1 kann die­ ses mit an sich sonst nur noch schwer verwendbaren (z. B. Asphaltindustrie) und daher preiswerten hochviskosen Raffine­ rierückständen betrieben werden. Der hierfür erforderliche zu­ sätzliche Aufwand in Form einer Anlage 2 zur Aufbereitung von hochviskosen Raffinerierückständen hält sich in Grenzen und erfordert keine zusätzlichen Brennstoffe.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zeigt ein Dampfturbinenkraft­ werk 31 mit einem vorgeschalteten Gasturbinenkraftwerk 32 und einer beiden vorgeschalteten Anlage 33 zur Aufbereitung von hochviskosen Raffinerierückstände. Das Gasturbinenkraftwerk 32 besteht aus einer Gasturbine 34 mit einem auf derselben Welle 35 sitzenden Luftverdichter 36 und Generator 37 sowie einer an der Frischluftleitung 38 des Luftverdichters angeschlosse­ nen Brennkammer 39.

Das Dampfturbinenkraftwerk 31 umfaßt, ähnlich wie jenes des Ausführungsbeispiels der Fig. 1, auf ein und derselben Welle 40 sitzende Hochdruck- 41, Mitteldruck- 42 und Niederdruckdampf­ turbinen 43, die einen Generator 44 antreiben. An dem zugehöri­ gen Speisewasserbehälter 45 des Dampfturbinenkraftwerks 31 sind eine Speisewasserpumpe 46, ein Speisewasservorwärmer 47, ein Dampferzeuger 48 mit Überhitzerheizflächen 49 angeschlossen. Der Dampferzeuger 48 wird, wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1, von Schwerölbrennern 50 beheizt, wobei die heißen Ab­ gase der Gasturbine 34 über die Abgasleitung 51 den Schweröl­ brennern zugeführt werden und diesen als Sauerstoffträger die­ nen. Die Abgase verlassen den Dampferzeuger 48 mit relativ ho­ her Temperatur und werden daher anschließend zur Speisewasser­ vorwärmung im Speisewasservorwärmer 52 benutzt. Dieser rauch­ gasbeheizte Speisewasservorwärmer 52 ist dem vorgenannten, von einem Teil des Abdampfes der Hochdruckdampfturbine 41 beheizten, Speisewasservorwärmer 47 parallelgeschaltet. Die Abdampfleitung der Hochdruckdampfturbine 41 ist über eine Zwischenüberhitzer­ heizfläche 54 an die Mitteldruckdampfturbine 42 angeschlossen. Die Abdampfleitung 44 der Niederdruckdampfturbine 43 führt in einen Kondensator 56. An den Kondensator 56 ist eine zum Spei­ sewasserbehälter 45 führende und mit einer Kondensatpumpe 57 ausgerüstete Kondensatleitung 58 angeschlossen.

Die Anlage 33 zur Aufbereitung von hochviskosen Raffinerie­ rückständen deckt sich mit der entsprechenden Anlage 2 des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 und besteht ebenfalls aus ei­ nem Röhrenofen 60, einer daran angeschlossenen Trennkolonne 61 und einer an der kopfseitigen Abzugsleitung 62 der Trennkolonne angeschlossenen Kondensationseinrichtung 63 und einem Speicher 64 für die über eine Förderpumpe 65 am unteren Ende der Konden­ sationseinrichtung 63 abgezogenen flüssigen Fraktion. Dabei kann die Kondensationseinrichtung auch mit der Trennkolonne zusammen­ gefaßt sein. Auch hier wird die am Kopfende der Kondensationsein­ richtung über die Abzugsleitung 66 abgezogene gasförmige Frak­ tion dem Röhrenofen 60 als Brennstoff zugeführt und ist die Ab­ zugsleitung 68 für die am unteren Ende der Trennkolonne abgezo­ gene flüssige Fraktion über eine weitere Förderpumpe 67 an den Dampferzeuger des Dampfturbinenkraftwerks 31 angeschlossen. Ab­ weichend vom Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist jedoch die vom Speicher 64 zurückführende Brennstoffleitung 70 für die im Aus­ führungsbeispiel bei Umgebungstemperatur flüssige Fraktion zu­ sätzlich auch an die Brennkammer 39 der Gasturbine 34 ange­ schlossen.

Beim Betrieb des Gas- und Dampfturbinenkraftwerks gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird die Gasturbine 34 mit der dem Speicher 64 entnommenen, bei Umgebungstemperatur flüssigen Fraktion vom unteren Ende der Kondensationseinrichtung 63 be­ trieben. Diese flüssige Fraktion wird mit der Frischluft des Luftverdichters 36 der Gasturbine 32 in der Brennkammer 39 verbrannt und der Gasturbine 34 zugeführt. Dabei werden der Luftverdichter und der auf derselben Welle 35 sitzende Genera­ tor 37 angetrieben. Das Abgas der Gasturbine strömt als Wärme- und Sauerstoffträger in die Schwerölbrenner 50 des Dampferzeu­ gers 48 des Dampfturbinenkraftwerks 31 und anschließend als Rauchgas durch den Speisewasservorwärmer 52. Die am unteren Ende der Trennkolonne 61 abgezogene schwere Fraktion wird über die Förderpumpe 67 in die Schwerölbrenner 50 des Dampferzeugers 48 gefördert.

Der im Dampferzeuger 48 erzeugte, und im Überhitzer 49 getrock­ nete und überhitzte Dampf wird, wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1, der Hochdruckdampfturbine 41 zugeführt und über den Zwischenüberhitzer 54 in die Mitteldruck- und von dort in die Niederdruckdampfturbine geleitet. Diese drei Dampfturbinen treiben den auf derselben Welle 40 sitzenden Generator 44 an. Der Abdampf der Niederdruckdampfturbine 43 wird im Kondensator 56 kondensiert, das Kondensat über die Kondensatpumpe 57 in den Speisewasserbehälter 45 gefördert und das Speisewasser über die Speisewasserpumpe 46 erneut in die Speisewasservorwärmer 47, 52 und den Dampferzeuger 48 gepumpt. Bei diesem Prozeß nach Fig. 2 wird ein Teil des Speisewassers über den rauchgasbeheiz­ ten Speisewasservorwärmer 52 vorgewärmt. Dadurch steht der Mit­ teldruckdampfturbine 42 und der Niederdruckdampfturbine 43 ge­ genüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 eine zusätzliche Dampfmenge zur Verfügung.

Die Brennkammer 39 der Gasturbine 34 wird bei diesem Gas- und Dampfturbinenkraftwerk mit der bei Umgebungstemperatur flüssi­ gen, am unteren Ende der Kondensationseinrichtung 63 gewonnenen Fraktion betrieben. Je nach Leistungsbedarf kann dem Speicher 64 eine entsprechend größere oder geringere Menge an Brennstoff entnommen werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, diese bei Umgebungstemperatur flüssige Fraktion der bei der erhöhten Temperatur der Trennvorrichtung 61 flüssigen Fraktion in der Abzugsleitung 68 beizumischen und so deren Viskosität weiter herabzusetzen. Bei Störung der Gasturbinenanlage kann der Dampfblock mit dem Frischluftgebläse 69 auch unabhängig be­ trieben werden.

Claims (8)

1. Dampfkraftwerk mit einem durch eine Verbrennungsanlage be­ heizten Dampferzeuger, dadurch gekennzeich­ net, daß der Verbrennungsanlage (28, 50) brennstoffseitig ein Röhrenofen (18, 60) zur Aufheizung von hochviskosen Raffi­ nerierückständen auf 400 bis 600°C mit einer nachgeschalteten Trennkolonne (19, 61) zur Abtrennung der gas- und dampfförmi­ gen Produkte von den übrigen Rückstandsanteilen vorgeschaltet ist, wobei die Abzugsleitung (26, 68) für die übrigen Rück­ standsanteile am unteren Ende der Trennkolonne an die Verbren­ nungsanlage des Dampfzeugers (6, 48) angeschlossen ist.

2. Dampfkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abzugsleitung (20, 62) am Kopf der Trennkolonne (19, 61) in eine Kondensationseinrichtung (21, 63) mündet, deren Kopfprodukt als Heizmedium für den Röh­ renofen (18, 60) dient.

3. Dampfkraftwerk nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das am unteren Ende der Konden­ sationseinrichtung (21, 63) abgezogene Produkt der Verbrennungs­ anlage (28, 50) des Dampferzeugers (4, 48) zugeleitet wird.

4. Dampfkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Dampferzeuger (48) ein Gas­ turbinenkraftwerk (32) vorgeschaltet wird, deren Abgase der Verbrennungsanlage des Dampferzeugers als Wärme- und Sauer­ stoffträger dienen, und daß das am unteren Ende der Konden­ sationsvorrichtung (63) abgezogene Produkt der Brennkammer (39) der Gasturbine zugeleitet wird.

5. Dampfkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzugs­ leitung für das am unteren Ende der Kondensationseinrichtung (21, 63) abgezogene Produkt unmittelbar einem Speicher (22, 64) und von diesem den weiteren Verbrauchern (28, 39, 50) zugeführt wird.

6. Dampfkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzugs­ leitungen (26, 68) für das am unteren Ende der Trennkolonne (19, 61) abgezogene Produkt unmittelbar einem Speicher und von die­ sem den weiteren Verbrauchern (28, 50) zugeführt wird.

7. Dampfkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Raffi­ nerierückstände im Röhrenofen (18, 60) auf 450 bis 500°C auf­ geheizt werden.

8. Dampfkraftwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennkolonne mit ei­ ner Kondensationseinrichtung kombiniert ist.