DE69102577T2 - Kraftanlage. - Google Patents

Kraftanlage.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Energieerzeugung. Zur besseren Veranschaulichung des aktuellen Stands der Technik erfolgt zunächst eine Beschreibung eines typischen kombinierten Kohlevergasungssystems zur Energieerzeugung nach dem bekannten Stand der Technik mit Bezug auf die beigefügte Fig. 7.
  • Die Vergasungseinheit besteht im wesentlichen aus einem ersten Vergasungsbrenner (01) und einem nachfolgend installierten Reduktor (07). Der erste Vergasungsbrenner (01) wird mit Kohle und Holzkohle als Brennstoff beschickt. Mit "Holzkohle" ist hier ein pulverförmiger Kohlenstoff gemeint, der sich in der Vergasungseinheit ablagert, ohne direkt an der Vergasung beteiligt zu sein. Der Vergasungsprozeß der so zugeführten Brennstoffe erfolgt im ersten Vergasungsbrenner (01) bei einer hohen Temperatur, unter Reduktionsbedingungen (bei einem Luft-Quotienten unter 1) und mit Druckluft. Die Kohle wird dem ersten Vergasungsbrenner (01) über einen Kohlezuführungskanal (02) zugeführt. Die Holzkohle wird hinter der Vergasungseinheit mit Hilfe eines Holzkohlesammlers (03) wieder aufgefangen und über einen Holzkohlezuführungskanal (04) als Brennstoff wieder in den ersten Vergasungsbrenner (01) geleitet. Zur Zuführung der Druckluft in den Vergasungsbrenner über eine Luftleitung (06) wird ein Turbokompressor (05) eingesetzt. Das Verbrennungsgas wird in den Reduktor (07) geleitet, wo die eigentliche Vergasung des zusätzlich über den Zuführungskanal (02) bereitgestellten Kohlenbrennstoffs nach folgendem Reaktionsschema abläuft:
  • C + H&sub2;O T CO + H&sub2;
  • Das entstehende Gasprodukt wird mit Hilfe eines Wärmeaustauschers (08) abgekühlt und anschließend über eine Gasleitung (09) dem Holzkohlesammler (03) zugeführt, um die abgelagerte Holzkohle zurückzugewinnen. Die so aufgefangene Holzkohle wird wie bereits beschrieben über den Holzkohlezuführungskanal (04) erneut dem ersten Vergasungsbrenner (01) zugeführt.
  • Das Gasprodukt wird nach dem Verlassen des Holzkohlesammlers (03) über eine Gasleitung (010) in einen Trockenentschwefeler (011) geleitet, wo es entschwefelt wird. Das entschwefelte Gas passiert danach über eine Gasleitung (012) einen Staubabscheider (013), wo die mitgerissenen Staubteilchen aufgefangen werden, um anschließend über eine Gasleitung (014) einem zweiten Vergasungsbrenner (015) zugeführt zu werden, der den Brenner für eine Gasturbine bildet, in der das Gas vollständig durch die vom Turbokompressor (05) bereitgestellte Druckluft verbrannt wird. Das entstehende Verbrennungsgas treibt die Turbine (016), um über einen Generator (029), der durch die Gasturbine angetrieben wird, Elektroenergie zu erzeugen. Die Eintrittstemperatur der Gasturbine wird durch die Einstellung der Zufuhrmenge an Druckluft bzw. - bei konstant eingestellter Druckluftzufuhr - durch die Einstellung der Zufuhrmenge an Kohle zur Vergasungseinheit gesteuert.
  • Die Abgase der Turbine werden zu einem Abhitze-Dampfgenerator (018) geleitet, wo die ungebundene Restwärme der Turbinenabgase zur Dampferzeugung genutzt wird, bevor die Abgase über einen Schornstein (019) an die Atmosphäre abgegeben werden.
  • Der im Dampfgenerator (018) erzeugte Dampf wird über eine Dampfleitung (020) an eine Dampfturbine weitergegeben, um zusätzlich Energie zu erzeugen. Der verbrauchte Dampf wird anschließend in einem Kondensator (022) kondensiert, und das Kondensat wird mit Hilfe einer Zuführpumpe (023) unter Druckanstieg über die Wasserleitungen (024 bzw. 025) wieder dem Dampfgenerator (018) bzw. dem Wärmeaustauscher (08) zugeführt. Der im Wärmeaustauscher (08) erzeugte Wasserdampf wird über ein Dampfrohr (026) ebenfalls der Dampfleitung (020) zugeführt und steht für die Energieerzeugung in der Dampfturbine (021) zur Verfügung. Bei der Verbrennung des Kohlebrennstoffs in der Vergasungseinheit fällt geschmolzene Aschenschlacke in Form von Partikeln an, die nach unten in einen Schlackenbehälter (026) fällt und über einen Entleerungskanal (027) aus dem System entsorgt wird. Der im Staubabscheider (013) angesammelte Staub wird über einen weiteren Entleerungskanal (028) aus dem System entsorgt.
  • Der Generator (029) wird über die Gasturbine (016) angetrieben, um elektrische Energie zu erzeugen.
  • Bei den oben beschriebenen kombinierten Kohlevergasungssystemen zur Energieerzeugung nach dem bekannten Stand der Technik ist eine Reihe von bisher ungelösten Problemen aufgetreten, wie sie im folgenden beschrieben werden:
    • A) Probleme beim Wärmekreislauf
  • Die Kohlevergasung erfolgt, wie oben ausgeführt, in einer Vergasungseinheit, die aus einem ersten Brenner zur Erzeugung eines Gases mit hoher Temperatur und einem Reduktor zur Vergasung der ihm zugeführten Kohle besteht, wobei der Vergasungsprozeß bei einer Temperatur von etwa 1000 ºC abläuft. Hier sind einige Zeitabschnitte erforderlich, um eine ausreichende Durchmischung des Kohlenpulvers mit dem Reaktionsgas zu erzielen und außerdem, um die Vergasungsreaktion in einem ausreichenden Maße in Gang zu setzen, so daß die Vergasungseinheit im großen Maßstab ausgelegt werden muß. Darüber hinaus muß die Wandung der Vergasungseinheit als eine Wasser-Wand wie bei Kesselfeuerungsräumen gebaut werden, um eine ausreichende Kühlung zum Schutz gegen die hohen Temperaturen im Inneren der Einheit zu gewährleisten.
  • Für den praktischen Betrieb des Staubabscheiders und der Entschwefelung muß das aus dem ersten Vergasungsbrenner kommende Produkt auf eine niedrige Temperatur abgekühlt werden, beispielsweise auf normale Raumtemperatur, so daß eine Vorrichtung zur Abhitze-Rückgewinnung wie beispielsweise der Wärmeaustauscher (08) oder ähnliche Einrichtungen am Auslaß der Vergasungseinheit installiert werden muß, um die ungebundene Wärme des Gasprodukts gewinnen zu können, die bei der Abkühlung des Gases freigesetzt wird, indem Wasserdampf zum Antrieb eines Dampfturbinen Energiegenerators erzeugt wird.
  • Damit wird das Produkt der Kohlevergasung, das der Wärmerückgewinnung durch den Claudius-Rankine-Prozeß ausgesetzt war, als Antriebsstoff der Gasturbine verwendet. Im oben beschriebenen System nach dem bekannten Stand der Technik wird das Produkt der Kohlevergasung, nach dem Passieren des Wärmeaustauschers (08) dem Vergasungsbrenner (015) der Gasturbine (016) zugeführt. Die Abgase der Gasturbine (016) werden danach durch Einleiten in den Abhitze-Dampfgenerator (018) erneut der Wärmerückgewinnung zugeführt und treiben die Dampfturbine (021) an. Damit arbeitet das System nach dem bekannten Stand der Technik - unter dem Gesichtspunkt seines Wärmekreislaufs - mit einer Abfolge von Dampfzyklus/Gasturbinenzyklus/Dampfzyklus, das heißt konkret im Wechsel von Rankine-Prozeß (in der Vergasungseinheit)/Brayton- Prozeß (in der Gasturbine)/Rankine-Prozeß (im Abhitze-Dampfgenerator), was damit sozusagen ein System ist, in dem ein Dampfturbinenzyklus vor dem Gasturbinenzyklus eingesetzt wird.
  • Aus diesem Grund muß sich das System nach dem bekannten Stand der Technik mit einer niedrigeren Gesamtwert des theoretischen Wärmewirkungsgrades zufriedengeben - verglichen mit einem vorstellbaren System mit einer einfachen Kombination eines Gasturbinenzyklus mit einem Dampfturbinenzyklus, da ein zusätzlicher Dampfzyklus (mit einem relativ niedrigen theoretischen Wärmewirkungsgrad) noch vor den denkbaren einfachen Kombinationszyklus aus einer direkten seriellen Kombination eines Gasturbinenzyklus (mit einem relativ hohen theoretischen Wärmewirkungsgrad) und eines Dampfzyklus geschaltet wird. Für eine Erklärung anhand einer Beispielrechnung können die folgenden Bedingungen angenommen werden:
  • Angenommen, der Anteil der in der Vergasungseinheit rückgewonnenen Wärme an der Gesamtenthalpie des Gasprodukts beträgt beispielsweise 40 %, und das Gas mit einer Restenthalpie von 60 % wird der Gasturbine zugeführt, die mit einem Gesamt-Wärmewirkungsgrad von beispielsweise 32 % betrieben wird, und der Gesamt-Wärmewirkungsgrad des Dampfzyklus der Vergasungseinheit wird beispielsweise mit 40 % angenommen und der Gesamt-Wärmewirkungsgrad des Abhitze-Dampfgenerators wird mit beispielsweise 20 % angenommen, dann kann der Gesamt-Wärmewirkungsgrad η des kombinierten Kohlevergasungssystems zur Energieerzeugung nach dem bekannten Stand der Technik wie folgt berechnet werden:
  • η&sub1; =0,4 x 0,40 + 0,6 x 0,32 + (0,6 - 0,19) x 0,20
  • = 0,433
  • = 43,3 %
  • Im Gegensatz hierzu wird der Gesamt-Wärmewirkungsgrad η2 des bereits erwähnten denkbaren einfachen Kombinationszyklus wie folgt berechnet:
  • η&sub2; = 1,0 x 0,32 + (1,0-0,32)= 0,456
  • = 45,6%
  • Ein Vergleich der beiden Berechnungen zeigt, daß der Gesamt-Wärmewirkungsgrad des vorgeschlagenen einfachen Kombinationszyklus um einen relativen Prozentsatzt von etwa 5 % über dem des kombinierten Kohlevergasungssystems zur Energieerzeugung liegt.
  • Damit wird deutlich, daß das Einfügen eines Dampfzyklus vor der Kombination aus einem Gasturbinenzyklus und einem Dampfturbinenzyklus eine theoretische Senkung des Gesamt-Wärmewirkungsgrades des Systems zur Folge hat.
    • B) Problem durch den komplizierten Aufbau des Systems
  • Die Vergasungseinheit wird bei einer hohen Temperatur von etwa 1000 C betrieben. Diese relativ hohe Temperatur hat unweigerlich große Abmessungen der Einheit zur Folge, damit eine im wesentlichen vollständige Umwandlung erreicht wird und zusätzlich dazu die oben beschriebene Begleiterscheinung der Ablagerung von Kohlenstoff, das heißt von Holzkohle, gewährleistet ist. Die abgelagerte Holzkohle soll der Vergasungseinheit wieder zugeführt werden, was entsprechende Einrichtungen (wie 03 und 04) zum Sammeln und zur Rückführung der Holzkohle erforderlich macht. Außerdem ist eine Einrichtung zur Wärmerückgewinnung erforderlich, zum Beispiel der Wärmeaustauscher (08), um das Gasprodukt auf eine niedrige Temperatur abzukühlen, das heißt auf normale Raumtemperatur. Die Notwendigkeit der Installation von diesen zusätzlichen Einrichtungen verkompliziert den Aufbau des Systems noch zusätzlich zu den unvermeidbar großen Abmessungen der Vergasungseinheit, so daß letztlich mit hohen Investitionskosten zu rechnen ist.
    • C) Probleme durch die zu erwartende CO&sub2;-Entfernung
  • Hinsichtlich der Entfernung des CO&sub2; aus den Abgasen unter Umweltgesichtspunkten ist es erforderlich, die vorläufige oder bereits gesetzlich bestehende Festlegungen von Grenzwerten für die zulässigen Gesamtausstoßmengen von CO&sub2; in die Atmosphäre in Betracht zu ziehen, die für die nächste Zukunft voraussehbar sind, um die Entfernung oder Abscheidung des CO&sub2; mit möglichst geringen Investitionskosten und bei möglichst geringem Energieverbrauch zu realisieren. In dieser Hinsicht sind bei den bisher verwendeten kombinierten Kohlevergasungssystemen zur Energieerzeugung die folgenden Probleme aufgetreten:
  • (1) Die zusätzliche Installation eines Apparates zur Entfernung oder Rückgewinnung von CO&sub2;, wie beispielsweise einer Adsorptionskolonne auf der Basis des PSA- oder TSA-Prozesses, eines Tieftemperatur-Kryoseparators usw. ist erforderlich.
  • (2) Es ist die Installation eines katalytischen Kohlenoxid-Konvertors zur vollständigen Umwandlung des im aus der Kohlevergasungseinheit kommenden Gasprodukt enthaltenen CO in CO&sub2; erforderlich. Der katalytische Kohlenoxid- Konvertor zur Durchführung der Reaktion:
  • CO + H&sub2;O T CO&sub2; + H&sub2;
  • verwendet einen Konversionskatalysator, dessen katalytische Aktivität sich nach einer bestimmten Einsatzdauer verschlechtert, wodurch eine relativ häufige Erneuerung des verbrauchten Katalysators erforderlich wird.
  • (3) Im System nach dem bekannten Stand der Technik wird für die CO&sub2;- Abscheidung eine große Energiemenge verbraucht, da hierfür der zusätzliche Einbau einer Abscheidevorrichtung wie beispielsweise einer PSA-Anlage, einer TSA-Anlage oder eines Kryoseparators erforderlich ist. Der erforderliche Energieverbrauch dieser Abscheidevorrichtungen bei der CO&sub2;-Abscheidung ist etwa vergleichbar. Das heißt, bei der Abscheidung von 1 NTP m³ CO&sub2; ist ein Energieverbrauch von etwa 0,4 kWh (etwa 430 kcal) zu verzeichnen. Dieser Wert entspricht etwa 10 % der durch das System erzeugten Energie, was etwa 20 % der Wärmeenergie entspricht, womit für die CO&sub2;-Abscheidung beträchtliche Energiekosten entstehen.
  • Der internationale Stand der Technik bei kombinierten Kohlevergasungssystemen zur Energieerzeugung, die von verschiedenen Herstellern auf der Welt angeboten werden entspricht der obigen Beschreibung, das heißt, eine Reihe von Problemen bleiben ungelöst.
  • Ein System zur Energieerzeugung entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist von EP-A-0184 137 bekannt.
    • AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFlNDUNG
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems zur Energieerzeugung, das so konstruiert ist, daß die beim oben beschriebenen Stand der Technik auftretenden Probleme im Zusammenhang mit dem Energiekreislauf, mit dem komplizierten Aufbau und der Technologie zur CO&sub2;-Abscheidung vermieden werden.
  • Die oben gestellte Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines Systems zur Energieerzeugung entsprechend der vorliegenden Erfindung gelöst, dessen wesentliche Bestandteile ein erster Vergasungsbrenner zur Hochtemperatur-Verbrennung eines Kohlebrennstoffs unter durch Kompressorzufuhr von Druckluft oder Sauerstoff erzeugten Reduktionsbedingungen; ein zweiter Vergasungsbrenner zur vollständigen Verbrennung des im ersten Vergasungsbrenner entstehenden Gasprodukts, wobei dem zweiten Vergasungsbrenner das Gasprodukt des ersten Vergasungsbrenners, Luft oder Sauerstoff zur Gewährleistung der besagten vollständigen Verbrennung des Gasprodukts aus dem ersten Vergasungsbrenner sowie Dampf oder Kohlendioxid als Zusatzgas zur Steuerung der Verbrennungsgastemperatur im besagten zweiten Vergasungsbrenner zugeführt wird; sowie eine durch das Gasprodukt des zweiten Vergasungsbrenners als Antriebsmittel angetriebenen Gasturbine sind, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der besagten Gasturbine nacheinander und in dieser Reihenfolge ein Abhitze- Dampfgenerator, eine Entschwefelungseinrichtung und ein Kondensator für die Abgase der besagten Gasturbine angeordnet sind.
  • Der erste Vergasungsbrenner des Systems entsprechend der vorliegenden Erfindung dient der Verbrennung von Kohlebrennstoff unter einer Reduktionsbedingung durch Zuführung der geringstmöglichen Menge von Luft oder Sauerstoff, so daß die Verbrennung des Kohlebrennstoffs bei einer Temperatur gewährleistet wird, die hoch genug ist, um ein Verschmelzen der Verbrennungsasche zu garantieren. Das führt zu einem hohen kalorischen Wert des entstehenden Gasprodukts, einer sehr niedrigen Verlustrate durch unverbranntes Brennmaterial (unter 1 %), einer hohen Separationsrate (über 80 bis 90 %) der geschmolzenen Asche und ermöglicht eine einfache Reinigungsbehandlung des entstehenden Gasprodukts.
  • Der Einsatz der geringstmöglichen Menge des sauerstoffhaltigen Gases für eine unvollständige Verbrennung im ersten Vergasungsbrenner ermöglicht im ersten Vergasungsbrenner die Entstehung eines Gasprodukts mit einem hohen kalorischen Wert, das dem zweiten Vergasungsbrenner zugeführt wird. Darüber hinaus kann auf den Einbau eines Dampfzyklus oberhalb der Gasturbine verzichtet werden. Aus diesem Grund ist es möglich, im zweiten Vergasungsbrenner eine größtmögliche Menge des Verbrennungsgases zu erhalten, das am Einlaß der Gasturbine auf einer festgelegten Gastemperatur, das heißt auf der höchsten für die Gasturbine zulässigen Temperatur gehalten wird, indem die Menge des sauerstoffhaltigen Gases reguliert wird, das dem zweiten Vergasungsbrenner zugeführt wird. Das bedeutet sozusagen, daß die größtmögliche Menge des Verbrennungsgases mit der maximal zulässigen Temperatur und mit einem kalorischen Wert von 100 % der Gesamtenthalpie des zugeführten Gasprodukts in die Gasturbine eingeleitet werden kann, solange man den unvermeidbaren Energieverlust, beispielsweise durch in die Umgebung entweichende Wärme, vernachlässigt. Damit ist es möglich, ein kombiniertes Kohlevergasungs-Gasturbinensystem zur Energieerzeugung mit einem maximalen Wirkungsgrad zu konstruieren.
  • Darüber hinaus kann auf den Einbau von Vorrichtungen zur Rückgewinnung und Rückführung der Holzkohle, die bei Systemen nach dem bekannten Stand der Technik erforderlich waren, verzichtet werden, da beim kombinierten Energieerzeugungssystem entsprechend der vorliegenden Erfindung keine Holzkohle entsteht.
  • Es ist außerdem möglich, den Wärmeaustauscher zur Abkühlung des Gasprodukts des ersten Vergasungsbrenners in kleineren Abmessungen zu bauen, da es ausreicht, das Gasprodukt des ersten Vergasungsbrenners auf eine Temperatur abzukühlen, die unterhalb des Schmelzpunktes der darin entstehenden Asche liegt.
  • Im Falle der Sauerstoffverbrennung (Verwendung von Sauerstoff als Verbrennungsgas im ersten und zweiten Vergasungsbrenner des Systems) setzt sich das Abgas der Gasturbine lediglich aus CO&sub2; und H&sub2;O zusammen (tatsächlich sind auch geringste Mengen Ar und N&sub2; enthalten), so daß ein Abscheiden des CO&sub2; (mit geringem Feuchtigkeitsgehalt) aus dem Dampf durch einfaches Abkühlen der Abgase der Gasturbine in einem Turbinenabgas-Kondensator möglich ist, wo der Wasserdampf in flüssiges Wasser umgewandelt und somit vom gasförmigen CO&sub2; abgeschieden wird. Damit ist die Verwendung einer speziellen Vorrichtung zur CO&sub2;- Abscheidung nicht erforderlich, wodurch gleichzeitig der dafür aufzuwendende Energieverbrauch entfällt.
  • Im Falle der Luftverbrennung (Verwendung von Luft als Verbrennungsgas im ersten und zweiten Vergasungsbrenner des Systems) setzt sich das Abgas der Gasturbine im wesentlichen aus N&sub2; und CO&sub2; und Wasserdampf (im Falle der Anwendung des unten beschriebenen Systems des Wasserkreislaufs) oder aus N&sub2; und CO&sub2; (im Falle des ebenfalls unten beschriebenen Systems des CO&sub2;-Kreislaufs) zusammen. Damit enthält das Trockengas nach dem Passieren des Abgas- Kondensators neben dem Gehalt an CO&sub2; auch N&sub2;. Die Menge des Trockengases ist aufgrund der Abscheidung des Dampfanteils jedoch nur gering, es ist praktisch sehr einfach, die Abscheidung des CO&sub2; von N&sub2;. zu realisieren.
  • Wie aus der obigen Beschreibung zu entnehmen ist, weist das System entsprechend der vorliegenden Erfindung eine Reihe von Vorzügen auf, die im folgenden genannt werden:
  • 1) Sämtliche Elemente der Vergasungseinheit, einschließlich des ersten Vergasungsbrenners, können in kleineren Abmessungen konstruiert werden, und die Wärme zur Kühlung des Gasprodukts des ersten Vergasungsbrenners ist nur gering, da der gesamte zum Betrieb des Systems benötigte Kohlebrennstoff dem ersten Vergasungsbrenner zugeführt wird und dort einer unvollständigen Verbrennung bei einer hohen Temperatur und bei Zuführung der geringstmöglichen Menge von Druckluft oder Sauerstoff ausgesetzt ist. Der größte Teil der im Gasprodukt des ersten Vergasungsbrenners enthaltenen Asche wird innerhalb der Vergasungseinheit durch einen nachfolgend installierten Staubabscheider entfernt und somit auf ein für die Gasturbine zulässiges Maß reduziert. Deshalb ist es ausreichend, das Gasprodukt des ersten Vergasungsbrenners lediglich auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Asche (gewöhnlich bei etwa 800 C) abzukühlen, um die Trocken-Staubabscheidung zu realisieren, wodurch der Wärmeaustauscher für das Gasprodukt des ersten Vergasungsbrenners in kleineren Abmessungen gebaut werden kann und geringere Wärme zu dessen Kühlung erforderlich ist. Aus diesem Grund können der erste Vergasungsbrenner und der Wärmeaustauscher für dessen Gasprodukt anstelle der Wasserkühlung sowohl mit einer Luftkühlung als auch mit Sauerstoffkühlung konstruiert werden. Die entstehende erhitzte Luft bzw. der erhitzte Sauerstoff wird verwendet, um den Kohlebrennstoff zu verbrennen und um das Gasprodukt im ersten und zweiten Vergasungsbrenner zu verbrennen.
  • Auf diese Weise kann eine Verbesserung des Wärmewirkungsgrades erreicht werden, da ein Dampfzyklus mit relativ niedrigem theoretischen Wärmewirkungsgrad, wie er in den herkömmlichen kombinierten Kohlevergasungssystemen zur Energieerzeugung vor der Gasturbine eingesetzt wird, entfallen kann.
  • 2) Wenn die Kühlung des Gasprodukts des ersten Vergasungsbrenners durch Wärmeaustausch des Gasprodukts mit dem sauerstoffhaltigen Gas, das dem ersten Vergasungsbrenner zugeführt werden soll, oder durch den im Abhitze- Dampfgenerator erzeugten Dampf realisiert werden kann, kann auf den Einsatz eines Dampfzyklus mit niedrigem theoretischen Wärmewirkungsgrad vor der Gasturbine verzichtet werden, wodurch eine Verbesserung des Wärmewirkungsgrades erreicht wird.
  • 3) Aufgrund des Wegfalls des in der Vergasungseinheit der herkömmlichen Systeme verwendeten separaten Vergasungsbauteils (Reduktor), was durch den Einsatz einer integrierten Vergasungseinheit mit Zuführung des gesamten Kohlebrennstoffs zum ersten Vergasungsbrenner und durch die Vermeidung der Bildung von Holzkohle ermöglicht wird, kann eine Vereinfachung der Vergasungseinheit aufgrund des Wegfalls des Reduktors und dessen Zusatzeinrichtungen sowie der Installationen zum Sammeln und Wiederzuführung der Holzkohle erreicht werden.
  • 4) Im Falle der Sauerstoffverbrennung setzt sich das Abgas des zweiten Vergasungsbrenners im wesentlichen aus CO&sub2; und H&sub2;O zusammen, so daß das CO&sub2; vom Verbrennungsgas abgeschieden werden kann, indem in einem Kondensator für die Turbinenabgase die Dampfkomponente einfach abgekühlt und kondensiert wird, wodurch für die CO&sub2;-Abscheidung keine zusätzliche Energie aufgewendet werden muß.
  • 5) Im Falle der Luftverbrennung setzt sich das Abgas des zweiten Vergasungsbrenners im wesentlichen aus N&sub2;, CO&sub2; und H&sub2;O sowie verschwindend geringen anderen Bestandteilen zusammen. Hier ist es nicht möglich, die CO&sub2;-Abscheidung durch einfaches Kondensieren des H&sub2;O-Anteils des Abgases zu realisieren. Die Gesamtmenge des Abgases im zweiten Vergasungsbrenner ist jedoch relativ gering (der erforderliche Luft-Quotient im kombinierten Energieerzeugungssystem entsprechend der vorliegenden Erfindung beträgt lediglich etwa 1,1 im Vergleich zu 3 bei den herkömmlichen kombinierten Energieerzeugungssystemen, wodurch nur etwa ein Drittel des Verbrennungsgases im Vergleich zu den herkömmlichen kombinierten Energieerzeugungssystemen entsteht), und dessen Temperatur wird relativ niedrig gehalten, so daß die Abscheidung des CO&sub2; sehr viel einfacher realisiert werden kann als bei den herkömmlichen kombinierten Energieerzeugungssystemen.
  • Fig. 1 zeigt ein schematisches Flußdiagramm einer Ausführungsform des kombinierten Kohlevergasungs-Energieerzeugungssystems mit Sauerstoffverbrennung und Wasserkreislauf entsprechend der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 2 zeigt ein schematisches Flußdiagramm einer Ausführungsform des kombinierten Kohlevergasungs-Energieerzeugungssystems mit Sauerstoffverbrennung und CO&sub2;-Kreislauf entsprechend der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 3 zeigt ein schematisches Flußdiagramm einer Ausführungsform des kombinierten Kohlevergasungs-Energieerzeugungssystems mit Luftverbrennung und Wasserkreislauf entsprechend der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 4 zeigt ein schematisches Flußdiagramm einer Ausführungsform des kombinierten Kohlevergasungs-Energieerzeugungssystems mit Luftverbrennung und CO&sub2;-Kreislauf entsprechend der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 5 zeigt ein schematisches Flußdiagramm einer anderen Ausführungsform des kombinierten Kohlevergasungs-Energieerzeugungssystems mit Sauerstoffverbrennung und Wasserkreislauf entsprechend der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 6 zeigt ein schematisches Flußdiagramm einer weiteren Ausführungsform des kombinierten Kohlevergasungs-Energieerzeugungssystems mit Sauerstoffverbrennung und Wasserkreislauf entsprechend der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 7 zeigt ein schematisches Flußdiagramm einer typischen Ausführungsform des kombinierten Kohlevergasungs-Energieerzeugungssystems nach dem bekannten Stand der Technik.
  • Fig. 7 zeigt ein schematisches Flußdiagramm einer typischen Ausführungsform des kombinierten Kohlevergasungs-Energieerzeugungssystems nach dem bekannten Stand der Technik.
    • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im weiteren erfolgt eine detailliertere Beschreibung der vorliegenden Erfindung anhand von sechs Ausführungsformen mit Bezug auf die jeweilige Zeichnung.
  • Bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in Fig. 1 dargestellt wird, kommt die Sauerstoffverbrennung mit einer Rückführung des Kondensats als Betriebswasser zum Einsatz.
  • Dieses kombinierte Energieerzeugungssystem besteht aus einer Vergasungseinheit (A) mit einem ersten Vergasungsbrenner (2), in dem der zugeführte Kohlebrennstoff einer Hochtemperatur-Verbrennung unter durch Kompressorzufuhr (1) von Druckluft oder Sauerstoff erzeugten Reduktionsbedingungen ausgesetzt wird: einer Verbrennungseinheit (B) mit einem zweiten Vergasungsbrenner (3), in dem das Gasprodukt aus der Vergasungseinheit (A) vollständig mit Sauerstoff verbrannt wird und die Temperatur des Verbrennungsgases durch Zufuhr von Dampf reguliert wird; einer Gasturbine (4), die vom Verbrennungsgas der Verbrennungseinheit (B) als Betriebsflüssigkeit angetrieben wird, sowie -nacheinander hinter der besagten Gasturbine angeordnet - einem Abhitze- Dampfgenerator (5), einem Entschwefeler (6) und einem Kondensator (7) für die Abgase der Turbine.
  • Ein pulverförmiger Kohlebrennstoff wird über einen Kohlezuführungskanal (8) dem ersten Vergasungsbrenner (2) der Vergasungseinheit (A) zugeführt. Auf der anderen Seite wird Sauerstoff (O&sub2;), der in einem Kryoseparator (9) durch Abscheidung von Stickstoff aus Luft gewonnen wird, in den ersten Vergasungsbrenner (2) eingeführt, wobei der Sauerstoff durch einen Turbokompressor (1) (der in dieser Ausführungsform durch die Gasturbine (4) angetrieben wird) bis zum vorgeschriebenen Druck komprimiert und über einen Sauerstoff-Gasbehälter (10) eine Ansaugleitung (11) und einen Wärmeaustauscher (13) zur Abkühlung des Gasprodukts der Vergasungseinheit auf eine für den Betrieb des Staubabscheiders (14) zulässige Temperatur geleitet wird, wobei der Staubabscheider (14) die übrigen im Gasprodukt enthaltenen Staubteilchen entfernt.
  • Das somit auf die erforderliche Temperatur gebrachte und im Staubabscheider (14) von Staubteilchen befreite Gasprodukt aus dem ersten Vergasungsbrenner wird anschließend in den zweiten Vergasungsbrenner (3) der Verbrennungseinheit (B) geleitet.
  • Ein Teil des Sauerstoffstroms, der in der Rohrleitung (15) des Wärmeaustauschers erhitzt wurde, wird in solchen Mengen in den ersten Vergasungsbrenner (2) eingeleitet, daß der minimal erforderliche Sauerstoffgehalt zur Verbrennung des dem Brenner zugeführten Kohlebrennstoffs gewährleistet ist. Der restliche Sauerstoffstrom wird über eine Sauerstoffzuführungsleitung (16) zum zweiten Vergasungsbrenner (3) der Verbrennungseinheit (B) geleitet. Das Gasprodukt des ersten Vergasungsbrenners (2) wird durch den von der Sauerstoffzuführungsleitung (16) bereitgestellten erhitzten Sauerstoff im zweiten Vergasungsbrenner (3) vollständig verbrannt, wobei ein Vebrennungsgas mit hoher Temperatur entsteht. Die Temperatur dieses Verbrennungsgases wird durch eine bestimmte Menge von Wasserdampf reguliert, der von einem Abhitze-Dampfgenerator (5) stammt und über eine Dampfleitung (17) eingespritzt wird, so daß die Temperatur des Gases am Einlaß der Gasturbine auf einem festgelegten Wert gehalten wird.
  • Die Gasturbine (4) wird vom so entstehenden Verbrennungsgas mit regulierter Temperatur angetrieben und erzeugt in einem Dauerzustand Elektroenergie.
  • Die Abgase der Gasturbine (4) werden über eine Abgasleitung (18) zum Abhitze-Dampfgenerator (5) geleitet, wo eine Wärmerückgewinnung stattfindet, woraufhin die Abgase über eine Leitung (19) in den Entschwefeler (6) geleitet werden. Im Anschluß daran werden die so entschwefelten Abgase über die Leitung (20) in den Kondensator geleitet, wo der überwiegende Teil des Wasserdampfs infolge einer Kondensation durch Abkühlung als Kondensat abgeschieden wird, von dem ein Teil wieder in den Systemkreislauf zurückgeführt wird.
  • Die aus dem Kondensator (7) kommenden gasförmigen Anteile bestehen im wesentlichen aus CO&sub2; mit einem geringen Feuchtigkeitsgehalt. Auf diese Weise kann die CO&sub2;-Abscheidung ohne notwendige Energiezuführung von außerhalb bei gleichzeitiger Rückgewinnung des Wassers als Kondensat erfolgen.
  • Ein Teil des so zurückgewonnenen Kondensats wird zur Steuerung der Temperatur des Verbrennungsgases verwendet, indem es in die Verbrennungseinheit eingespritzt wird. Damit wird ein bestimmter Anteil des für die Einhaltung einer festgelegten Einlaßtemperatur an der Gasturbine vorgesehenen Kondensats herausgenommen und durch eine Zuführpumpe (21) unter Druck in den zweiten Vergasungsbrenner (3) der Verbrennungseinheit (B) eingeleitet, nachdem dieser eine Wasserbehandlungseinheit (22), eine Wasserzuführungsleitung (23) und eine Wärmeaustauscherleitung (24) im Wärmeaustauscher (5) passiert hat. Das Kondensat wird beim Passieren der Wärmeaustauscherleitung (24) erhitzt und in Wasserdampf umgewandelt, der über die Dampfleitung (17) dem zweiten Vergasungsbrenner (3) zugeführt wird.
  • Damit entfällt für diese Ausführungsform die Notwendigkeit einer Zuführung von Wasser aus einer externen Quelle.
  • In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform haben die anderen Nummern folgende Bedeutung:
  • 31: Schlackenbehälter
  • 32: Schlacken-Entsorgungskanal
  • 33: Ableitungsrohr für das Gasprodukt des ersten Vergasungsbrenners
  • 34: Zuführungsleitung des Staubabscheiders
  • 35: Entsorgungsleitung des Staubabscheiders
  • 36: Generator
  • 37: Einlaßleitung für das Kühlwasser
  • 38: Ablaufleitung für das Kühlwasser
  • 39: Ablaufleitung für das Kondensat
  • 40: CO&sub2;-Entsorgungsleitung
  • Die zweite Ausführungsform des kombinierten Energieerzeugungssystems entsprechend der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 2 dargestellt und verwendet eine Sauerstoffverbrennung und einen CO&sub2;-Kreislauf. Gleiche oder ähnliche Bauteile wie bei der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform sind mit den gleichen Ziffern gekennzeichnet, auf eine Erklärung dieser Bauteile wird hier verzichtet.
  • In dieser Ausführungsform wird das CO&sub2; im Kondensator (7) an der Abgasseite der Gasturbine abgeschieden, durch den von der Gasturbine angetriebenen Turbokompressor (1) komprimiert und wieder in den Systemkreislauf zurückgeführt. Das CO&sub2; wird wieder dem zweiten Vergasungsbrenner (3) zugeführt, um dessen Abgase auf einem bestimmten Temperaturwert zu halten.
  • Der im Abhitze-Dampfgenerator (5) erzeugte Dampf wird über die Dampfleitung (17) einer Dampfturbine (41) zugeführt, um einen Generator (42) anzutreiben. Die Abgase der Dampfturbine werden in einem Kondensator (43) in ein Kondensat verwandelt, das wieder dem Systemkreislauf zugeführt wird, indem es mit Hilfe einer Zuführungspumpe (44) unter Druck über eine Zuführungsleitung (45) wieder in den Abhitze-Dampfgenerator (5) geleitet wird.
  • Der dem ersten Vergasungsbrenner (2) und dem zweiten Vergasungsbrenner (3) zuzuführende Sauerstoff wird unter Verwendung eines Kryoseparators (53) aus der komprimierten Luft gewonnen, die unter einem bestimmten Druck von einem Luftkompressor (52) bereitgestellt wird, der von einem Elektromotor (51) angetrieben wird.
  • Die anderen Nummern in Fig. 2 haben folgende Bedeutung:
  • 54: Luftansaugkanal
  • 55: Luftablaßkanal
  • 56: Sauerstoffverteiler
  • 57: Sauerstoffzuführungsleitung
  • Die dritte Ausführungsform des kombinierten Energieerzeugungssystems entsprechend der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 3 in einem schematischen Flußdiagramm dargestellt und verwendet eine Luftverbrennung und einen Wasserkreislauf. Gleiche oder ähnliche Systembauteile wie bei der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform sind mit den gleichen Ziffern gekennzeichnet, auf eine Erklärung dieser Bauteile wird hier verzichtet.
  • In dieser Ausführungsform wird der in der ersten Ausführungsform (Fig. 1) verwendete Sauerstoff durch Luft ersetzt. Aus diesem Grund kann auf den Einbau eines Luft-Kryoseparators verzichtet werden. Hier setzt sich das Abgas der Gasturbine aus N&sub2;, CO&sub2; und Wasserdampf zusammen, so daß das Gas, welches zur Steuerung der Temperatur des Verbrennungsgases in der Verbrennungseinheit wieder zurückgeführt werden soll, im wesentlichen aus vom kondensierten Wasserdampf befreiten CO&sub2; und N&sub2; besteht.
  • Die vierte Ausführungsform des kombinierten Energieerzeugungssystems entsprechend der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 4 in einem schematischen Flußdiagramm dargestellt; bei dieser Ausführungsform werden eine Luftverbrennung und ein CO&sub2;-Kreislauf eingesetzt. Gleiche oder ähnliche Systembauteile wie bei den in Fig. 1 oder Fig. 2 dargestellten Ausführungsformen sind mit den gleichen Ziffern gekennzeichnet, auf eine Erklärung dieser Bauteile wird hier verzichtet.
  • Diese Ausführungsform entspricht einem System, bei dem der in der zweiten Ausführungsform (Fig. 2) verwendete Sauerstoff durch Luft ersetzt wird. In dieser Ausführungsform wird das CO&sub2; unter Verwendung eines durch einen Elektromotor (51) angetriebenen Luftkompressors (52) unter Druck wieder dem zweiten Vergasungsbrenner (3) zugeführt.
  • Die fünfte Ausführungsform des kombinierten Energieerzeugungssystems entsprechend der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 5 in einem schematischen Flußdiagramm dargestellt, hier kommen eine Sauerstoffverbrennung und ein H&sub2;O- Kreislauf zum Einsatz. Gleiche oder ähnliche Systembauteile wie bei in Fig. 1 sind mit den gleichen Ziffern gekennzeichnet, auf eine Erklärung dieser Bauteile wird hier verzichtet.
  • Bei dieser Ausführungsform wird der im Abhitze-Dampfgenerator (5) erzeugte Wasserdampf als Kühlmittel für den Wärmeaustauscher (13) eingesetzt, in dem das Gasprodukt des ersten Vergasungsbrenners aus der ersten Ausführungsform (Fig. 1) abgekühlt wird. Der Sauerstoff aus dem Turbokompressor (1) wird direkt in den ersten Vergasungsbrenner (2) und den zweiten Vergasungsbrenner (3) eingeleitet, und der im Abhitze-Dampfgenerator (5) erzeugte Dampf wird über einen Wärmeaustauscher (13) für das Gasprodukt des ersten Vergasungsbrenners in den zweiten Vergasungsbrenner (3) eingeleitet.
  • Die sechste Ausführungsform des kombinierten Energieerzeugungssystems entsprechend der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 6 in einem schematischen Flußdiagramm dargestellt, hier kommen eine Sauerstoffverbrennung und ein H&sub2;O- Kreislauf zum Einsatz. Gleiche oder ähnliche Systembauteile wie bei in Fig. 1 sind mit den gleichen Ziffern gekennzeichnet, auf eine Erklärung dieser Bauteile wird hier verzichtet.
  • Bei dieser Ausführungsform wird ein Teil des im Abhitze-Dampfgenerator (5) erzeugten Dampfs zur Steuerung der Temperatur des Gasprodukts des ersten Vergasungsbrenners verwendet, indem dieser Teil im Gasprodukt- Wärmeaustauscher (13) versprüht wird. Der restliche Dampf wird in den zweiten Vergasungsbrenner (3) eingespritzt, um so die Einlaßtemperatur der Gasturbine zu regulieren.
  • Abschließend muß angemerkt werden, daß durch die Verwendung von Luft anstelle des Sauerstoffs in der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform eine weitere Alternativform des kombinierten Energieerzeugungssystems erreicht wird, bei der eine Luftverbrennung und ein Wasserkreislauf verwendet werden. Bei der Verwendung von Luft anstelle von Sauerstoff in der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform wird noch eine alternative Ausführungsform des kombinierten Energieerzeugungssystems erreicht, bei der eine Luftverbrennung und ein Wasserkreislauf sowie eine Dampfsprühkühlung des Gasprodukts des ersten Vergasungsbrenners angewendet werden.
    • Beschriftungen für die Abbildungen: Fig. 1
  • AIR= LUFT
  • COAL= KOHLE
  • SLAG= SCHLACKE
  • ASH= ASCHE
    • Fig.2
  • LUFT
  • KOHLE
  • SCHLACKE
  • ASCHE
    • Fig. 3
  • LUFT
  • KOHLE
  • SCHLACKE
  • ASCHE
    • Fig. 4
  • LUFT
  • KOHLE
  • SCHLACKE
  • ASCHE
    • Fig. 5
  • LUFT
  • KOHLE
  • SCHLACKE
  • ASCHE
    • Fig. 6
  • LUFT
  • KOHLE
  • SCHLACKE
  • ASCHE
    • Fig. 7
  • LUFT
  • KOHLE
  • SCHLACKE

Claims (4)

1. Energieerzeugungssystem bestehend aus einem ersten Vergasungsbrenner (2), in dem Kohlebrennstoff einer Hochtemperatur-Verbrennung unter durch Zufuhr von Druckluft oder Sauerstoff durch einen Kompressor (1) erzeugten Reduktionsbedingungen ausgesetzt wird; einem zweiten Vergasungsbrenner (3), in dem das Gasprodukt aus dem besagten ersten Vergasungsbrenner (2) vollständig mit Sauerstoff verbrannt wird, wobei dem besagten zweiten Vergasungsbrenner (3) das Gasprodukt des besagten ersten Vergasungsbrenners (2), Luft oder Sauerstoff zur Gewährleistung der besagten vollständigen Verbrennung des Gasprodukts des ersten Vergasungsbrenners sowie ein Zusatzgas - entweder Wasserdampf oder Kohlendioxid - zur Regulierung der Temperatur des im besagten ersten Vergasungsbrenner (3) entstehenden Verbrennungsgases zugeführt wird; einer Gasturbine (4), die vom Verbrennungsgas des zweiten Vergasungsbrenners (3) als Betriebsflüssigkeit angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der besagten Gasturbine (4) nacheinander und in dieser Reihenfolge ein Abhitze-Dampfgenerator (5), einem Entschwefeler (6) und einem Kondensator (7) für die Abgase der Gasturbine angeordnet sind.
2. Ein Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1, bei dem der in den zweiten Vergasungsbrenner (3) eingeleitete Wasserdampf im Abhitze-Dampfgenerator (5) erzeugt wird.
3. Ein Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1, bei dem das in den zweiten Vergasungsbrenner (3) eingeleitete Kohlendioxid im Kondensator (7) aus dem Abgas der Gasturbine (4) gewonnen wird.
4. Ein Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1, bei dem in die Zuführungsleitung des Gasprodukts des ersten Vergasungsbrenners (2) zum zweiten Vergasungsbrenner (3) ein Staubabscheider (14) zwischengeschaltet ist.
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