DE4335136A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung von Gasen zum Betreiben einer Gasturbine in einem kombinierten Gas- und Dampfkraftwerk - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung von Gasen zum Betreiben einer Gasturbine in einem kombinierten Gas- und Dampfkraftwerk

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung von Gasen zum Betreiben einer Gasturbine in einem kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerk, bei dem feinkörnige bis staubförmige Kohle unter einem Druck < 1 bar sowie einer Temperatur < 1000°C mit Luft, mit Sauerstoff angereicherter Luft oder reinem Sauerstoff allein oder jeweils mit rezirkuliertem Abgas gemischt nahezu vollständig verbrannt wird, zu einem Verbrennungsgas, das im wesentlichen aus CO2 und Wasserdampf und bei Verwendung von Luft auch als Stickstoff besteht, und das anschließend zumindest von Staub einschließlich Alkalimetallverbindungen und eventuell von SO2 und NOx gereinigt hintereinander eine Gasturbine und einen Abhitzedampferzeuger durchströmt, in dem Wasser zum Betreiben einer Dampfturbine auf einer oder mehreren Druckstufen vorgewärmt, verdampft und überhitzt wird.
Derartige Anlagen sind u. a. durch die Zeitschrift VGB Kraftwerkstechnik (70) 1990, Heft 5, Seite 399-405 bekanntgeworden. Die erzeugten Gase ent­ halten schädliche Stoffe, die die Gasturbine beschädigen würden, daher ist eine Gasreinigung unbedingt erforderlich. Da eine wirksame Reinigung solcher heißen, schadstoffbeladenen Gase mit Temperaturen oberhalb der zu­ lässigen Eintrittstemperaturen moderner Gasturbinen also < 1200°C kaum durchführbar ist, muß die Temperatur der Gase auf ein Niveau von ca. 650-950°C gesenkt werden, um die Gasreinigung mit bekannten und erprobten Me­ thoden durchführen zu können. Dieses Temperaturniveau ist insbesondere auch für das Trockenadditivverfahren (Entschwefeln durch Kalkstaubeindüsung) und das Selectiv Noncatalytic Reduction-SNCR-Verfahren (Reduktion der Stick­ oxide mit Ammoniak ohne Katalysator) entscheidend. Um dieses Temperaturni­ veau zu erreichen, wird im allgemeinen Wärme an einem Dampfkraftprozeß aus­ gekoppelt oder ein sehr hoher Luftüberschuß gefahren.
Nachteilig ist bei den bekannten Verfahren, Wärme an einen Dampfprozeß aus­ zukoppeln oder einen hohen Luftüberschuß zu fahren, die Wirkungsgradeinbuße durch die Wärmeübertragung auf den Dampfprozeß mit relativ niedriger Tempe­ ratur bzw. durch die verminderte Gasturbineneintrittstemperatur bei hohem Luftüberschuß und die erhöhten Abgasverluste. Ferner ist die Verkoppelung von Gasturbinen- und Abhitzekesselbetrieb nachteilig.
Zufolge der Klimadiskussion, des Umweltschutzes und der Ressourcenschonen hat die nicht unbeträchtliche Erhöhung des Wirkungsgrades durch das vorge­ schlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung gerade in den letz­ ten Jahren große Bedeutung gewonnen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art sowie die zugehörige Vorrichtung zu schaffen, bei der die geschilderten Nachteile vermieden werden und eine entscheidende Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Erzeugung elektrischen Stromes aus Kohle erzielt wird. Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentan­ spruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen 2 bis 9 zu entnehmen.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden die folgenden Vorteile gegen­ über dem bekannten Stand der Technik erzielt:
  • 1) Höhere Reingastemperaturen (1200-1400°C) können erzielt werden, so daß Gasturbinen mit höheren Eintrittstemperaturen und entsprechend höherem Wirkungsgrad betrieben werden können.
  • 2) Durch den Rohgas-/Reingaswärmeaustausch sind die Wärmeverluste gegenüber dem Stand der Technik geringer und dadurch wird der Wirkungsgrad der Gesamtanlage verbessert.
  • 3) Die Gasturbine kann über einen eigenen Schornstein unabhängig vom Abhitzekessel betrieben werden.
  • 4) Die ohnehin benötigte Innenisolierung der Druckbehälter und Verbindungsleitungen wird gleichzeitig als Wärmetauscher verwendet und die Temperatur der Druckbehälter und Verbindungsleitungswände bei gleicher Isolierungsstärke vermindert. Unter Umständen kann auf einen getrennten Wärmetauscher (15 in Fig. 2) verzichtet werden.
Die Erfindung ist anhand der Beschreibung und der Fig. 1 und 2 näher er­ läutert.
Fig. 1 zeigt ein kombiniertes Gas- und Dampfturbinenkraftwerk, das die An­ lagenkomplexe 31-37, nämlich Verdichter für Abgas 31, Verdichter für Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft oder reinem Sauerstoff 32, Brennkam­ mer 33, Wärmetauscher 34, Gasreinigung 35, Gasturbine mit Generator 36 und Abhitzedampferzeuger samt Dampfturbine und Generator 37 umfaßt.
Fig. 2 zeigt die Anlagenteile 33, 34 und 35 wobei feinkörnige bis staub­ förmige Kohle unter Druck, z. B. 15 bar, zusammen mit Luft oder mit Sauer­ stoff angereicherter Luft oder mit reinem Sauerstoff allein oder jeweils mit rezirkuliertem Abgas der Brennkammer 27 über den Stutzen 11 zugeführt und in dieser verbrannt wird. Die Verbrennung findet dabei entweder bei ei­ ner Temperatur statt, bei der die Asche fest bleibt oder schmelzflüssig ab­ gezogen werden kann. Die Verbrennungstemperatur kann durch die Wahl des Luft- und/oder Sauerstoffüberschusses und/oder der Abgasrezirkulation ein­ gestellt werden. Die Brennkammer 27 ist zyklonartig, wodurch ein Großteil der Asche abgeschieden und über den Stutzen 14 abgezogen werden kann. Liegt die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer über dem Ascheschmelzpunkt, so wird das Verbrennungsgas am Austrittsstutzen der Brennkammer 12 durch Zumischung von rezirkuliertem Abgas oder einem Gas ähnlich wie es zur Ver­ brennung verwendet wird (über den Stutzen 26) auf eine Temperatur unter dem Ascheschmelzpunkt abgekühlt, um Verschlackungen der nachfolgenden Leitung und des Wärmetauschers zu vermeiden. Anschließend strömen die Verbrennungs­ gase = Rohgase in beiden Fällen (feste oder schmelzflüssige Asche in der Brennkammer) durch die als Wärmetauscher ausgebildeten Verbindungsleitungen 2 und - falls nötig - über den Rohgaseintrittsstutzen 16 durch den Wärme­ tauscher 15, der in dem Heizflächenraum 22 des Wärmetauscher-Druckbehälters 3 zur Abkühlung der Rohgase und zur Aufheizung der Reingase angeordnet ist.
Die Rohgase verlassen den Wärmetauscher-Druckbehälter über den Rohgasaus­ tritt 17 und strömen über die mit nur einer Isolierung 7 versehenen Ver­ bindungsleitung 4 und über den Rohgaseintritt 18 in den Gasreinigungs- Druckbehälter 5, wobei den durch die Wärmeabgabe an das Reingas bereits ab­ gekühlten Rohgasen über den Stutzen 30 rezirkuliertes Abgas oder ein Gas, ähnlich wie es zur Verbrennung verwendet wird, zugemischt wird, so daß sie auf eine Temperatur zwischen ca. 650 bis 950°C abgekühlt werden. Bei die­ ser Temperatur können die Rohgase mit bekannten Verfahren, wie. z. B. Zyklo­ nen, keramische Filterkerzen 24 etc. entstaubt werden (einschließlich Alka­ limetallverbindungen) und ferner durch ebenfalls bekannte Methoden, z. B. Trockenadditivverfahren, d. h. durch Eindüsen von Kalkstaub entschwefelt bzw. z. B. durch das Selective Noncatalytic Reduction SNCR-Verfahren, d. h. durch Eindüsen von Ammoniak von Stickoxiden befreit werden. Diese Gasreini­ gungsverfahren 35 sind in einem Behälter 5 angeordnet, aus dem über den Austritt 20 Flugasche und andere Reststoffe wie z. B. Gips abgezogen werden können. Die Zuführung der Additive erfolgt über den Stutzen 28. An­ schließend strömen die gereinigten Verbrennungsgase = Reingase über den Reingasaustritt 19 und die nur mit Isolierung 7 versehene Verbindungs­ leitung 6 und den Stutzen 23 zurück zum Wärmetauscher-Druckbehälter 3. Das Reingas durchströmt dann den Wärmetauscher 15 und/oder die als Wärmetau­ scher ausgebildeten Kanäle 10, 9 und 8 des Wärmetauscherdruckbehälters 3, der Verbindungsleitung 2 und des Brennkammerdruckbehälters 1, nimmt dabei von den ungereinigten Verbrennungsgasen = Rohgase Wärme auf und verläßt den Brennkammerdruckbehälter über den Stutzen 13 mit der zulässigen Gasturbineneintrittstemperatur. Das Reingas durchströmt dann nacheinander die Gasturbine 36 in Fig. 1 und den Abhitzedampferzeuger 37 in Fig. 1, in dem Wasser zum Betreiben einer Dampfturbine auf einer oder mehreren Druck­ stufen (in Fig. 1 ist eine mögliche Schaltung mit 3 Druckstufen darge­ stellt) vorgewärmt, verdampft und überhitzt wird. Es könnte auch Wärme für Heizzwecke ausgekoppelt werden.
Nach dem Abhitzekessel kann ein Teil des Abgases über einen von der Gastur­ bine angetriebenen Kompressor 31, siehe Fig. 1, an die oben angeführten Stellen 11, 26 und 30 rezirkuliert werden. Der Rest kann - falls dies er­ forderlich bzw. noch nicht geschehen ist - in bekannter Weise auf zuläs­ sige Emissionswerte gereinigt werden und verläßt das Kraftwerk über einen Schornstein. Wenn als Oxidationsmittel reiner Sauerstoff verwendet wird, entstehen als Abgase - wie bereits erwähnt - ein Gasgemisch, das fast nur aus CO2 und Wasserdampf besteht. Bei entsprechender weiterer Abkühlung kon­ densiert zuerst Wasserdampf aus und schließlich wird auch das CO2 mit den restlichen Gasspuren flüssig bzw. gefriert zu Eis. Dadurch entsteht ein ab­ gasfreies Kraftwerk, wenn man von dem bei der Sauerstoffgewinnung aus Luft abgetrennten Stickstoff absieht. Von der Gasturbine 36 - siehe Fig. 1 - wird außerdem der Verdichter für Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft oder für reinen Sauerstoff 32 - siehe Fig. 1 - angetrieben.
Der Brennkammerdruckbehälter 1, die Verbindungsleitung 2 und der Wärmetau­ scherdruckbehälter 3 sind so aufgebaut, daß die druckaufnehmende Wand außen liegt. Nach innen folgen der Reihe nach: Isolierung 7, Kanäle, in denen Reingas strömt 8, 9 und 10 und eine wärmeleitende, weitgehend gasundurch­ lässige und feuerfeste Auskleidung 21. Erst innerhalb dieser Auskleidung strömt Rohgas.
Legende
 1 Brennkammer-Druckbehälter
 2 Verbindungsleitung
 3 Wärmetauscher-Druckbehälter
 4 Verbindungsleitung
 5 Gasreinigungs-Druckbehälter
 6 Verbindungsleitung
 7 Wärmeisolierung
 8 Kanal
 9 Kanal
10 Kanal
11 Brennstoff- und Oxidationsmittel und Abgasrezirkulationseintritt
12 Rohgasaustritt
13 Reingasaustritt
14 Ascheaustrittsstutzen
15 Wärmetauscher
16 Rohgaseintritt
17 Rohgasaustritt
18 Rohgaseintritt
19 Reingasaustritt
20 Flugasche - (eventuell mit Gips) Austritt
21 innere wärmeleitende weitgehend gasdichte und feuerfest Auskleidung (Wand) in 1, 2 und 3 über die ein Wärmeaustausch zwischen Roh- und Reingas erfolgt
22 Heizflächenraum
23 Reingaseintritt
24 Filter
25 Absperrorgan
26 Stutzen zur Quenchgaszufuhr
27 Verbrennungsraum
28 Stutzen zur Additivzufuhr (z. B. Kalkstaub, Ammoniak)
29 Absperrorgan
30 Stutzen zur Quenchgaszufuhr
31 Verdichter für Abgas
32 Verdichter für Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft oder für reinen Sauerstoff
33 Brennkammer
34 Wärmetauscher (als Wärmetauscher ausgebildete Behälter- und Verbin­ dungsleitungswände und - falls nötig - Wärmetauscher)
35 Gasreinigung
36 Gasturbine mit Generator
37 Abhitzedampferzeuger samt Dampfturbinen und Generator
38 Absperrorgan

Claims (9)

1. Verfahren zur Erzeugung von Gasen zum Betreiben einer Gasturbine in ei­ nem kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerk, bei dem feinkörnige bis staubförmige Kohle unter einem Druck < 1 bar sowie einer Temperatur < 1000°C mit Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft oder reinem Sauerstoff allein oder jeweils mit rezirkuliertem Abgas gemischt nahezu vollständig verbrannt wird, zu einem Verbrennungsgas, das im wesentli­ chen aus CO2 und Wasserdampf und bei Verwendung von Luft auch aus Stickstoff besteht und das anschließend zumindest von Staub einschließ­ lich Alkalimetallverbindungen und eventuell vom SO2 und NOx gereinigt, hintereinander eine Gasturbine und einen Abhitzedampferzeuger durch­ strömt, in dem Wasser zum Betreiben einer Dampfturbine auf einer oder mehreren Druckstufen vorgewärmt, verdampft und überhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Brennkammer (1) strömende Verbrennungs­ gas = Rohgas unter Wärmeabgabe an das Reingas und durch anschließende Zumischung von rezirkuliertem Abgas oder einem Gas, ähnlich wie es zur Verbrennung verwendet wird, über den Stutzen (30) auf ca. 650-950°C abgekühlt und bei dieser Temperatur mit bekannten Methoden wie Zyklonen oder Keramikfiltern zumindest von Staub einschließlich Alkali­ metallverbindungen und eventuell durch ebenfalls bekannte Methoden, z. B. Zugabe von Kalkstaub (Trockenadditivverfahren) und Ammoniak (SNCR- Verfahren) von SO2 bzw. NOx gereinigt und als Reingas durch Wärme­ aufnahme von Rohgas auf die zulässige Gasturbineneintrittstemperatur wieder aufgewärmt wird.
2. Verfahren zur Erzeugung von Gasen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verbrennung in der Brennkammer (33) durch entsprechenden Luft- und/oder Sauerstoffüberschuß und/oder Abgasrezirkulation bei einer Temperatur oberhalb der Gasturbineneintrittstemperatur, unterhalb des Ascheschmelzpunktes durchgeführt wird, so daß die Asche staubförmig über den Ascheaustrittsstutzen (14) abgezogen werden kann.
3. Verfahren zur Erzeugung von Gasen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verbrennung in der Brennkammer (33) bei solchen Temperaturen stattfindet, daß die Asche schmelzflüssig über den Ascheaustrittsstutzen (14) abgezogen und das Verbrennungsgas am Austritt (12) aus der Brennkammer (33) durch Zumischung von rezirkuliertem Abgas oder einem Gas, ähnlich wie es zur Verbrennung verwendet wird, über den Stutzen (26) auf Temperatur unterhalb des Ascheschmelzpunktes aber oberhalb der zulässigen Gasturbinenaustrittstemperatur abgekühlt wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (33) als Zyklonbrennkammer aus­ gebildet ist, die Innenseite der Wände des Brennkammer-Druckbehälters (1), der Verbindungsleitung (2) und des Wärmetauscher-Druckbehälters (3) jeweils mit einer Wärmeisolierung (7) und einer Auskleidung (21) versehen sind, wobei die Auskleidung (21) als Wärmetauscher ausgebildet ist, der hintereinander geschaltete Kanäle (8) bzw. (9) bzw. (10) aufweist und der Kanal (10) gegebenenfalls über einen Wärmetauscher (15) durch den Austrittsstutzen (19) des Reinigungs-Druckbehälters (5) verbunden ist und gegebenenfalls ein Wärmetauscher (15) in dem Heizflächenraum (22) des Wärmetauscher-Druckbehälter (3) angeordnet ist, wobei die Innenseite der Umfassungswände der Verbindungsleitungen (4), (6) sowie des Gasreinigungs-Druckbehälters (5) mit Wärmeisolierung (7) versehen ist.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasreinigungs-Druckbehälter (5) mit einem Filter (24) versehen ist, der als Gewebefilter ausgebildet ist.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasreinigungs-Druckbehälter (5) mit einem Filter (24) versehen ist, der als Keramikfilter ausgebildet ist.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennenzeichnet, daß die hintereinander geschalteten Kanäle (8), (9) und (10) jeweils aus mehreren, parallel angeordneten Kanälen gebildet sind.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (21) feuerfest, weitgehend gasundurchlässig und wärmeleitend ist.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 4 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen (4) zum Gasreini­ gungs-Druckbehälter (5) oder der Gasreinigungs-Druckbehälter (5) mit einer Vorrichtung zum Eindüsen von Additiven (28) und (29) versehen ist.
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