DE69005381T2 - Zusammengesetztes Kohlenvergasungskraftwerk. - Google Patents

Zusammengesetztes Kohlenvergasungskraftwerk.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein zusammengesetztes Kohlevergasungskraftwerk und insbesondere auf ein technisches Mittel zur Behandlung schädlicher und brennbarer Gase, welche während der Anfahroperation eines solchen Kraftwerks auftreten und/oder von solchen, weiche von Sicherheitsventilen freigegeben werden, die in solch einem Kraftwerk angeordnet sind, um diesen Gasen die Gefährlichkeit und Giftigkeit zu entziehen.
  • Eine typische Anordnung eines konventionellen zusammengesetzten Kohlevergasungskraftwerks ist in Fig.3 dargestellt. Das Kraftwerk nach Fig.3 enthält einen Kohlevergasungsofen 17 welcher mit Kohle und Vergasungsmitteln wie Luft, Sauerstoff, Dampf usw. beschickt wird, um zwischen diesen unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen eine Reaktion hervor zuruf en, um ein hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehendes Brennstoffgas zu produzieren. Das so produzierte Gas wird zu einem Gaskühler 2 geleitet, der aus einem Satz Wärmetauschern besteht, die für das Ansaugen der in dem Gas enthaltenen fühlbaren Wärme zur Erzeugung von Dampf verwendet werden, um eine effiziente Wärmenutzung zu erzielen. Das so gekühite Gas wird 2ann zu einer Gasaufbereitungseinheit 3 geleitet, welche aus einem Staubtrenner, einem Entschwefler usw. besteht, um die Verunreinigungen im Gas wie Staub, Schwefeioxiden usw. zu entfernen. Das gereinigte Gas wird dann einem Brenner 4 zugeführt, um verbrannt zu werden. Das dabei entstehende Verbrennungsgas wird in eine Gasturbine 5 entladen, um einen Leistungsgenerator 6 und einen Luftkompressor 7 anzutreiben. Diese Elemente 4, 5, 6 und 7 bilden eine Gasturbinen- Leistugserzeugungs-Einheit.
  • Das heiße Abgas von der Gasturbinen-Leistungserzeugungs-Einheit wird zu einem Abwärmekessel 8 geschickt, wo es seine Wärme an Wasser zur Erzeugung von Dampf abgibt, wonach das Gas durch einen Kamin 9 in die Atmosphäre abgegeben wird. Der in dem Abwärmekessel 8 erzeugte Dampf wird zusammen mit dem in dem Gaskühler 2 erzeugten Dampf einer Dampfturbine 10 in einer Dampfturbinen-Leistungserzeugungseinheit zugeführt, um einen Leistungsgenerator 11 anzutreiben.
  • In dem oben beschriebenen konventionellen zusammengesetzten Kohlevergasungskraftwerk erscheint das Produktgas des Kohlevergasungsofens 1, weiches in der Startperiode der Ofenoperation erzeugt wird, ebenfalls als schädliches Gas, was von den Inhalten an schädlichen und brennbaren Gaskomponenten herrührt und zwar solange bis die Ablaufbedingungen und die Gas zusammensetzung einen gleichförmigen Zustand erreichen und das Gas fertig für die Verbrennung durch den Brenner ist, so daß die Freigabe dieser schädlichen Gase bspw. in die Atmosphäre aus Sicht des Umwelt-Gesundheitswesens unerwünscht ist.
  • In der Praxis von dem Stand der Technik sind die Aufwärmoperation des Kohlevergasungsofens 1 und der Gasaufbereitungseinheit 3 realisiert worden, indem die schädlichen brennbaren Gase, die während dieser Aufwärmoperation gebildet worden sind, durch einen separat angeordneten Gasausbrennofen (oder einen Abfackeiungskamin) ausgebrannt werden, wie dies aus Fig.3 ersichtlich wird.
  • In einem zusammengesetzten Kohlevergasungskraftwerk sind gewöhnlich verschiedene Sicherheitsmittel, wie Sicherheitsventile 13, Druckregulierungsventile 14f Gasfreigabeventile (nicht dargestellt) usw. zur Sicherheitsbestätigung installiert, wie dies in Fig.3 gezeigt ist. Wenn diese Sicherheitsmittel bei Bedarf betrieben werden, können schädliche und brennbare Gase in die Atmosphäre abgegeben werden, was ebenfalls unerwünscht ist. In der konventionellen Praxis werden die von diesen Sicherheitsmitteln freigegebenen Gase in einem Druckbehälter 15 gesammelt, von wo sie zu einem wie oben erwähnten Gasausbrennofen 12 geleitet werden, wo sie einer Verbrennungsbehandlung unterzogen werden. Das so verbrannte Abgas von dem Gasausbrennof en 12 wird dann in einen Kamin 9 entladen, und zwar durch einen Gaskühler 16, weicher zwischen dem Gasausbrennofen 12 und dem Kamin 9 angeordnet ist.
  • In dem oben beschriebenen Stand der Technik kann ein spezielles Überwachungsmittei zur Überwachung der Verbrennungsbedingungen in dem Gasausbrennofen und in speziellen Fällen selbst noch ein der Verbrennung assistierendes Mittel erforderlich sein,. weil die Gase von den Sicherheitsmitteln im allgemeinen brennbare Komponenten nur in einer niedrigen Konzentration mit einer beträchtlichen Fluktuation der Gas zusammensetzung, welche von der Aufwärmoperation des Kohlevergasungsofens resultiert, enthalten.
  • Zusätzlich kann eine mögliche sekundäre Umweitverschmutzung von der Gasausbrennbehandlung, welche von den sogenannten thermischen Stickstoffoxiden herrührt, die absolute Notwendigkeit einer weiteren Installation für deren Entfernung mit sich bringen. Die theoretische Beziehung zwischen der Menge an thermischen Stickstoffoxiden, welche nach 0.5 Sekunden der Reaktion auftreten und der dafür benötigten Temperatur ist in Fig.4 gegeben. Wie ersichtlich ist, tendiert die Menge der auftretenden thermischen Stickstoffoxide zu einem steilen Anwachsen oberhalb von 1600 ºC.
  • In der Praxis werden gewöhnlich mehrere Stunden für die Aufwärmoperation des Kohlevergasungsofens 1 und der Gasaufbereitungseinheit 3 von einem zusammengesetzten Kohlevergasungskraftwerk benötigt, was von den Maßen des Kraftwerks abhängt, während die Operation des Gasausbrennofens 12 oder des Abfackelungskamins einen beträchtlichen Verlust an thermischer Energie mit einer ansteigenden Anzahl an wiederholten Aufwärmoperationen hervorruft.
  • Die vorliegende Erfindung ist auf die Lösung der Probleme von dem oben beschriebenen Stand der Technik ausgerichtet und zwar durch Verwendung eines zusammengesetzten Kohievergasungskraftwerksr weiches einen Kohlevergasungsofen, einen Gaskühler, weicher betreibbar ist, um die fühlbare Wärme des in dem Kohlevergasungsofen produzierten Gases durch Erzeugung von Dampf durch die so entfernte Hitze zurückzugewinnen, eine Gasaufbereitungseinheit, welche betreibbar ist, um Verunreinigungen, die in dem so gekühlten Gas enthalten sind, zu entfernen, eine Gasturbineneinheit zur Erzeugung elektrischer Leistung, weiche einen Brenner zum Brennen des in der Gasaufbereitungseinheit aufbereiteten Gases hat, einen Abwärmekessel, welche betreibbar ist, um die Hitze zu entfernen, welche in dem Abgas von der Gasturbine enthalten ist, indem durch die so entfernte Hitze Dampf erzeugt wird, und eine Dampfturbineneinheit zur Erzeugung elektrischer Leistung umfaßt, welche durch die Dämpfe von dem Gaskühler und von dem Abwärmekessel gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß das zusammengesetzte Kohlevergasungskraftwerk weiterhin eine kataiytische Brenneinheit umfaßt, welche parallel zu dem Brenner der Gasturbineneinheit zur Erzeugung der Leistung angeordnet ist und eingerichtet ist, um die brennbaren Gase auszubrennen, weiche in dem Vergasungsofen während der Startoperation des Kraftwerks produziert werden und um ihr Verbrennungsabgas zu dem Abwärmekessel zu liefern.
  • Gemaß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt das zusammengesetzte Kohlevergasungskraftwerk weiterhin eine zusätzliche Verbrennungseinheit, welche betreibbar ist, um die freigegebenen Gase von den Sicherheitsventilen, weiche in dem Kraftwerk angeordnet sind, auszubrennen und um das Verbrennungsabgas zu dem Abwärmekessel zu liefern.
  • Erfindungsgemäß werden die schädlichen und brennbaren Gase, welche während der Aufwärmoperation eines zusammengesetzten Kohlevergasungskraftwerks produziert werden, in einer zusätzlichen Verbrennungseinheit ausgebrannt, um sie unschädlich zu machen, und die in dem Verbrennungsgas enthaltene fühlbare Wärme wird in einem Abwärmekessel zurückgewonnen, um eine effiziente Energienutzung zu erzielen.
  • Somit ist es möglich gemacht worden, die schädlichen und brennbaren Gase, welche in eInem zusammengesetzten Kohlevergasungskraftwerk auftreten, in einem praktischen und effektiven Weg in einen unschädlichen Zustand zu überführen, und zwar unter Erzielung der Verwendung der Wärmeenergie, weiche bisher ohne Verwendung in die Atmosphäre abgegeben worden ist, bei gleichzeitiger Erhaltung der Umwelt, und somit wird ein praktisches und ökonomisches zusammengesetztes Kohlevergasungskraf twerk geschaffen, weil die schädlichen und brennbaren Gase, die von dem Kohlevergasungsofen während dessen Startoperation produziert werden, in einer zusätzlichen Verbrennungseinheit ausgebrannt werden, welche parallel zu dem Brenner der Gasturbine angeordnet ist, und die fühlbare Wärme des Verbrennungsgases wird in dem Abwärmekessel zurückgewonnen.
  • Weiterhin ist es möglich gemacht worden, die von verschiedenen Sicherheitsventiien in dem zusammengesetzten Kohlevergasungskraf twerk freigegebenen Gase in einer praktischen und ökonomischen Weise in einen unschädlichen Zustand zu behandeln, und zwar unter Erzielung der Nutzung von der Wärmeenergie, welche bisher ohne Verwendung in die Atmosphäre abgegeben worden ist, bei gleichzeitiger Erhaltung der Umwelt, und somit wird ein praktisches und ökonomisches zusammengesetztes Kohlevergasungskraftwerk geschaffen, weil die schädlichen und brennbaren Gase, welche von den Sicherheitsventilen durch deren zeitweiliges Betreiben freigegeben werden, in der zusätzlichen Verbrennungseinheit ausgebrannt werden, um sie unschädlich zu machen, und die fühlbare Wärme des Verbrennungsabgases wird in dem Abwärmekessei zurückgewonnen.
  • Fig.1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zusammengesetzten Kohlevergasungskraftwerks gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Flußdiagramm.
  • Fig.2 ist ein Flußdiagramm eines anderen Ausführungsbeispiels von einem erfindungsgemäßen zusammengesetzten Kohlevergasungskraf twerk
  • Fig.3 zeigt ein konventionelles zusammengesetztes Kohlevergasungskraftwerk, ebenfalls in einem Flußdiagramm.
  • Fig.4 zeigt die theoretische Beziehung zwischen der Bildung von thermischen Stickstoffoxiden und der Reaktionstemperatur.
  • Untenstehend ist die vorliegende Erfindung genauer durch Beispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
  • In Fig.1 ist ein Beispiel von einem zusammengesetzten Kohlevergasungskraf twerk gemäß eines ersten erfindungsgemäßen Aspekts dargestellt, worin die gleichen Bezugszeichen für diejenigen Teile verwendet werden, die mit denen in Fig.3 identisch sind.
  • Wie in Fig.1 dargestellt ist, wird Kohle zu einem Kohlevergasungsof en 1 zur Herstelleung eines Brennstoffgases beschickt, welches in einen Gaskühler 2 eingespeist wird, welcher betreibbar ist, das Brennstoffgas unter Erzeugung von Dampf zu kühlen. Eine Gasaufbereitungseinheit 3 dient zur Entfernung von Verunreinigungen, welche in dem in dem Kühler 2 geküniten Brennstoffgas enthalten sind. Das 30 gereinigte Gas wird dann in einen Brenner 4 für eine Gasturbine 5 eingespeist und wird darin verbrannt um ein heißes Abgas zu produzieren, weichem in die Gasturbine 5 abgegeben wird, um diese anzutreiben. Die Gasturbine 5 treibt einen Leistungsgenerator 6 und einen Luftkompressor 7 an. Diese Elemente 4, 5, 6 und 7 bilden eine Gasturbineneinheit zur Erzeugung elektrischer Leistung. 8 ist ein Abwärmekessel zur Rückgewinnwig der Wärmeenergie in dem Gasturbinenabgas von der Gasturbineneinheit zur Erzeugung elektrischer Leistung zur Erzeugung von Dampf. Das Abgas von dem Abwärmekessel 8 wird durch einen Kamin 9 in die Atmosphäre abgegeben. Die in dem Abwärmekessel 8 und in dem Gaskühler 2 erzeugten Dämpfe werden verwendet, um eine Dampf turbine 10 zum Aritrieb eines Leistungsgenerators 11 zu rotieren. Die Funktion und der Betrieb dieser Elemente 1 bis 11 sind identisch mit jenen, welche bereits unter Bezugnahme auf Fig.3 erklärt worden sind, und daher wird eine Erklärung unterlassen.
  • In Fig.1 ist mit 21 die zusätzliche Verbrennungseinheit dargestellt, welche gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung in dem zusammengesetzten Kohlevergasungskraftwerk eingebaut ist. Die zusätzliche Verbrennungseinheit 21 ist zwischen dem Auslaß der Gasaufbereitungseinheit 3 und dein Einlaß des Abwärmekessels 8 parallel zum Brenner 4 der Gasturbine angeordnet. Die Leitung 22, welche Verbrennungsluft zu der zusätzlichen Verbrennungseinheit 21 liefert, ist von einer Verbindungsleitung abgezweigt, welche den Luftkompressor 7 und den Brenner 4 verbindet. Es kann auch ein Luftkompressor (nicht dargestellt) verwendet werden, welcher installiert ist, um anstelle des Luftkompressors 7 Verbrennungsluft in den Kohlevergasungsofen zu liefern.
  • Beim Starten der Operation von dem Kohlevergasungsofen 1 wird die Vergasungsreaktion kein Brennstoffgas von gleichförmiger Komposition schaffen, sonder eines, daß nicht nur in der Zusammensetzung sondern auch in der Temperatur etc. beträchtlich fluktuiert, so daß das Produktgas während der Aufwärmoperation nicht für das Brennstoffgas des Gasturbinenbrenners verwendet wird und somit gemäß der Erfindung behandelt werden muß, um eine Abgabe in die Atmosphäre zu vermeiden. Die schädlichen und brenn baren Gase, die während der Aufwärmoperation produziert werden, werden der zusätzlichen Verbrennungseinheit 21 zugeführt, wo sie in einen unschädlichen Zustand ausgebrannt werden Das daraus resultierende Verbrennungsgas wird dem Abwärmekessel 3 zugeführt, um die darin enthaltene fühlbare Wärme zurückzugewinnen. Das so behandelte gekühlte Gas wird durch den Kamin 9 in die Atrnosphare abgegeben.
  • Es ist von Vorteil, die zusätzliche Verbrennungseinheit 21 auf dem Prinzip des katalytischen Konverters zu betreiben, um die darin zugeführten Gase, welche im allgemeinen eine geringe Verbrennungswärme und niedrige Gehalte an brennbaren Komponenten aufweisen, einer effizienten und fördernden chemischen Reaktion zu unterwerfen Durch Auswahl eines adäquaten Katalysators in einer geeigneten Menge ist es möglich, eine stabile und effektive Umwandlung zu erzielen, ohne die Notwendigkeit für spezielle Mittel zur Überwachung und zum Betreiben zu haben.
  • herrührend von der Beschleunigung der Verbrennungsreaktion kann eine geringere Temperatur für die katalytische Verbrennung im Vergleich zur gewöhnlichen Verbrennung ohne Katalysator verwendet werden. wobei das Auftreten von thermischen Stickstoffoxiden , welches eine sekundäre Umweltverschmutzung hervorruft, minimiert werden wird.
  • Darüberhinaus ist die Temperatur des katalytischen Verbrennungsabgases angenähert gleich derjenigen von dem Abgas der Gasturbine während ihres normalen Laufs, so daß es in den Abwärmekessel, welcher in dem nachfolgenden Bereich des Systems angeordnet ist, ohne Einfügung von irgendwelchen speziellen Temperatursenkungsmitteln eingeführt werden kann.
  • Während der Druck in dem Kohlevergasungsofen während der Aufwärmoperation des Kraftwerks geringer ist. ist es möglich, den Druck durch die katalytische Verbrennung auf solch ein Level wiederherzustellen, auf weichem er mit dem Abgasdruck von der Gasturbine korrespondieren kann, wenn der mögliche Druckabfall in dem katalytischen Brenner berücksichtigt wird.
  • Nun wird die Beschreibung auf ein zweites Beispiel, welches in Fig.2 dargestellt ist, gerichtet.
  • Dieses Beispiel zeigt ein zusammengesetztes Kohlevergasungskraftwerk, bei dem der erste erfindungsgemäße Aspekt mit dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kombiniert wird. Hier werden ebenfalls die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Elemente wie in Fig.1 verwendet, und die Erklärung solcher Elemente wird unterlassen.
  • Die schädlichen und brennbaren Gase, welche von verschiedenen Slcherheitsventiien 13 und Druckregelungsventilen 14 freigegeben werden, welche zum Zwecke der Sicherheit über ihre gelegentliche Betätigung angeordnet sind, werden einmal in einern Druckbehälter 15 gesammelt und werden von hier zu der zusätzlichen Verbrennungseinheit 21 geleitet, um sie in einen unschädlichen Zustand auszubrennen. Das dabei entstehende Verbrennungsgas wird dem Abwärmekessel 8 zugeführt, von wo es durch den Kamin 9 in die Atmosphäre abgegeben wird, nachdem die fühlbare Wärme zurückgewonnen worden ist.
  • Es ist natürlich von Vorteil und fällt unter den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, däß jedes brennbare Gas, welches bspw. von Entlastungsventilen (nicht dargestellt) freigegeben wird, in dem Druckbehälter 14 gesammelt und dann der zusätzlichen Verbrennungseinheit 21 zugeführt wird.

Claims (4)

1.Zusammengesetztes Kohlevergasungskraftwerk, welchem einen Kohievergasungsofen, einen Gaskühler, welcher betreibbar ist, und die fühlbare Wärme des in dem Kohlevergasungsofen produzierten Gases durch Erzeugung von Dampf durch die so entfernte Hitze zurückzugewinnen, eine Gasaufbereitungseinheit, welche betreibbar ist, um Verunreinigungen, die in dem so gekühlten Gas enthalten sind, zu entfernen, eine Gasturbineneinheit zur Erzeugung elektrischer Leistung, weiche einen Brenner zum Brennen des in der Gasaufbereitungseinheit aufbereiteten Gases hat, einen Abwärmekessel, welche betreibbar ist, um die Hitze zu entfernen, welche in dem Abgas von der Gasturbine enthalten ist, indem durch die so entfernte Hitze Dampf erzeugt wird, und eine Dampfturbineneinheit zur Erzeugung elektrischer Leistung umfaßt. welche durch die Dämpfe von dem Gaskühler und von dem Abwärmekessel gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß das zusammengesetzte Kohlevergasungskraftwerk weiterhin eine katalytische Brenneinheit umfaßt, welche parallel zu dem Brenner der Gasturbineneinheit zur Erzeugung der elektrischen Leistung angeordnet ist und eingerichtet ist, um die brennbaren Gase auszubrennen, welcbe in dem Vergasungsofen während der Startoperation des Kraftwerks produziert werden und um ihr Verbrennungsabgas zu dein Abwärmekessel zu liefern.
2.Zusammengesetztes Kohlevergasungskraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftwerk weiterhin eine zusätzliche Verbrennungseinheit umfaßt, welche betreibbar ist, um die von den Sicherheitsventilen, welche in dem Kraftwerk angeordnet sind, freigegebenen Gase auszubrennen und um das Verbrennungsabgas zu dem Abwärmekessel zu liefern.
3.Zusammengesetztes Kohlevergasungskraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Verbrennungseinheit parallel zu dem Brenner der Gasturbineneinheit zur Erzeugung der elektrischen Leistung angeordnet ist.
4.Zusammengesetztes Kohlevergasungskraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Verbrennungseinheit auf dem Prinzip des katalytischen Konverters betreibbar ist.
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