DE69521248T2

DE69521248T2 - Kombikraftwerk mit einem Druckreaktor mit zirkulierendem Wirbelbett

Info

Publication number: DE69521248T2
Application number: DE69521248T
Authority: DE
Inventors: Juan Antonio Garcia-Mallol
Original assignee: Foster Wheeler Energy Corp
Current assignee: Foster Wheeler Energy Corp
Priority date: 1994-08-25
Filing date: 1995-08-09
Publication date: 2001-09-20
Anticipated expiration: 2015-08-10
Also published as: EP0698726A2; DE69521248D1; EP0698726A3; US5469698A; ES2157298T3; EP0698726B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kombinationskraftwerksystem und insbesondere ein System, das einen Schwelerofen zur Erzeugung eines energiearmen Brenngases beinhaltet, welches in einem Primärbrenner zur Erzeugung eines heißen Abgases für den Betrieb einer Gasturbine verbrannt wird.
Kombinationskraftwerke sind nach dem Stand der Technik wohlbekannt und beinhalten typischerweise die Verbrennung von Erdgas oder Öl unter Druck, um heiße Gase. zu erzeugen, die durch die Gasturbine geführt werden, wo die Gase expandiert und abgekühlt werden, während Arbeit durch die Erzeugung von elektrischer Energie verrichtet wird. Die Turbinenabgase werden in eine Wärmerückgewinnungseinheit überführt, um Dampf von hoher Temperatur zu erzeugen, der dazu verwendet wird, mittels Dampfturbinen weitere Arbeit zu verrichten.
Kombinationskraftwerke haben normalerweise einen relativ hohen Wirkungsgrad, da Dampfturbinen bei einer wesentlich geringeren Temperatur arbeiten als Gasturbinen. Kombinationssysteme erfordern leider außerdem für den Betrieb der Gasturbine die Verwendung von Superkraftstoffen, wie Erdgas oder Öl und werden daher für viele industrielle Anwendungen als zu teuer betrachtet.
Um den Wirkungsgrad des Systems zu erhöhen und die Betriebskosten der Kombinationskraftwerke zu verringern, werden unter Druck arbeitende Wirbelschichtreaktoren eingebaut, in denen eine Wirbelschicht, die kostengünstige Brennstoffe, wie Kohle, verbrennt, unter einem Druck von etwa 10 bis 15 Atmosphären (etwa 10·10&sup5; Pa - 15·10&sup5; Pa) betrieben wird. Die Abgase aus der Schicht werden durch einen Zyklonabscheider und einen keramischen Querstromfilter geführt, die so arbeiten, daß sie die mitgerissenen Feststoffe aus den Gasen abtrennen. Die Feststoffe werden in das Reaktorbett zurückgeführt, und die sauberen Gase werden durch eine Gasturbine geführt, wo Energie erzeugt wird, indem die Gase abgekühlt und expandiert werden, bevor sie zur Erzeugung von Dampf verwendet werden. Ein Kombinationssystem dieser Art hat einen relativ hohen Gesamtwirkungsgrad, wenn es mit ähnlichen Systemen verglichen wird.
Leider haben unter Druck arbeitende Wirbelschichtreaktoren und Gasturbinen miteinander nicht in Übereinstimmung zu bringende Betriebsanforderungen, um das System wirkungsvoll zu betreiben. So erfordert z. B. eine Gasturbine ein relativ hohes Volumen an Hochtemperaturgasen, um mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden zu können. Dagegen sollte eine unter Druck arbeitende Wirbelschicht, die einen reaktiven Brennstoff verbrennt, mit einem geringeren Volumen an Gasen, die die Verbrennung fördern, betrieben werden, um die Brennstoffteilchen bei einer Temperatur zu halten, die nahe der Temperatur des Gases und der anderen Feststoffe liegt, damit SOx wirkungsvoll absorbiert wird, um die Emission von NOX und alkalischen Gasen und die Agglomeratbildung von Teilchenmaterial zu verhindern. Folglich ist es schwierig, die betrieblichen Anforderungen eines unter Druck arbeitenden Wirbelschichtreaktors mit denen einer Gasturbine zu verbinden und einen hohen Wirkungsgrad zu erhalten, die Emissionsbestimmungen zu erfüllten und Agglomeratbildung von Teilchen in der Wirbelschicht zu verhindern.
EP-A-0468357 offenbart ein Kombinationskraftwerk. Nach dem offenbarten System wird Kohle in einen Wirbelschichtvergasungsofen eingeführt, wo die Kohle vergast und der Schwefelbestandteil in der Kohle als Kalziumsulfid mit Hilfe eines Entschwefelungsmittels gebunden wird. Staub, der von den erzeugten Verbrennungsgasen mitgerissen wird, wird von dem Brenngas, das in einen Brenner eingeführt wird, abgeschieden.
Der abgeschiedene Staub und der Koks aus dem Vergasungsofen werden in einen Wirbelschichtverbrennungsofen eingeführt, um Brenngas zu erzeugen. Dieses Brenngas enthält mitgerissene Teilchen, die von dem Gas abgeschieden werden, bevor das Gas in den Brenner eingeführt wird.
Die Gase, die dem Brenner zugeführt werden, werden verbrannt und können dazu verwendet werden, eine Gas- oder Dampfturbine zu betreiben.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Kombinationskraftwerk eine Brenngas erzeugende Vorrichtung zur Erzeugung von Brenngas, das mitgerissene feste Brennstoffteilchen enthält,
einen ersten Abscheider zum Abscheiden der festen Brennstoffteilchen aus dem Brenngas,
einen Reaktor zur Erzeugung von Abgas aus den festen Brennstoffteilchen, die durch den ersten Abscheider abgeschieden worden sind, wobei das Abgas mitgerissene Feststoffteilchen enthält,
einen zweiten Abscheider zum Abscheiden der Feststoffteilchen aus dem Abgas,
einen Brenner zur Verbrennung des Brenngases in Gegenwart des Abgases, um heiße Gase zu erzeugen, die in die Gasturbine eingeführt werden, um Energie und heiße Abgase zu erzeugen, und eine Dampfturbine auf, die eine Wärmerückgewinnungseinheit umfaßt, wobei die Abgase aus der Gasturbine in einer Wärmerückgewinnungseinheit zur Erzeugung von Dampf abgekühlt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß das System ferner einen Kompressor zur Komprimierung eines Anteils der relativ kühlen Abgase aus der Wärmerückgewinnungseinheit aufweist, um diesen zur Bereitstellung überschüssigen Sekundärgases in den Reaktor einzuführen, um den Betrieb der Gasturbine zu unterstützen.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Verfahren zur Erzeugung von Energie, welches ein Kombinationskraftwerk verwendet, die Schritte
Brenngas zu erzeugen, das mitgerissene feste Brennstoffteilchen enthält,
die festen Brennstoffteilchen aus dem Brenngas abzutrennen, aus den festen Teilchen in einem Reaktor Abgas zu erzeugen, das mitgerissene Feststoffteilchen enthält,
die Feststoffteilchen aus dem Abgas abzutrennen,
das Brenngas in Gegenwart des Abgases zu verbrennen, um heiße Gase zu erzeugen, die in eine Gasturbine eingeleitet werden, um Energie und heiße Abgase zu erzeugen, und
die Abgase aus der Gasturbine in einer Wärmerückgewinnungseinheit abzukühlen, um Dampf zu erzeugen, um eine Dampfturbine anzutreiben,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Anteil der relativ kühlen Abgase aus der Wärmerückgewinnungseinheit komprimiert wird und das komprimierte Gas in den Reaktor eingeführt wird, um zusätzliches Sekundärgas bereitzustellen, das den Betrieb der Gasturbine unterstützt. Die vorliegende Erfindung erlaubt die Herstellung von Brenngas für den Betrieb einer Gasturbine aus relativ preiswerten Brennstoffen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht, daß SOx wirkungsvoll absorbiert wird, die Erzeugung von NOX und alkalischen Gasen minimiert wird und die Agglomeratbildung von Teilchenmaterial in dem unter Druck arbeitenden Wirbelschichtreaktor im wesentlichen verhindert wird.
Die Feststoffteilchen können in einem ersten Mengenanteil und einem zweiten Mengenanteil aus dem Brenner dosiert abgegeben werden, als erster und zweiter Anteil durch Einführen von Luft verwirbelt werden, wobei der erste Anteil abgekühlt wird und sowohl der erste als auch der zweite Anteil der Teilchen in den Brenner eingeführt werden, wobei die Menge der Teilchen in dem ersten Anteil im Verhältnis zu den Teilchen in dem zweiten Anteil einstellbar ist, um die Temperatur des Brenners zu steuern.
Der Brenner kann einen oberen und einen unteren Bereich aufweisen, wobei der obere Bereich eine größere Querschnittsfläche als der untere Bereich aufweist und das Verfahren ferner beinhaltet,
die abgekühlten Abgase in einem ersten Mengenanteil und einem zweiten Mengenanteil zu dosieren,
den ersten Anteil des abgekühlten Abgases in einen Abzugsschornstein zu führen,
den zweiten Anteil des abgekühlten Abgases zu komprimieren, ein Sekundärgas zu erzeugen, indem Luft in das komprimierte Abgas eingeführt wird, und
das Sekundärgas in den oberen Bereich einzuführen, so daß das Sekundärgas die Verbrennung vervollständigt.
Der Schritt, das Brenngas aus den festen Brennstoffteilchen abzutrennen, kann die folgenden weiteren Schritte aufweisen:
Das Brenngas aus den festen Brennstoffteilchen im wesentlichen abzutrennen,
das im wesentlichen abgetrennte Brenngas weitestgehend zu filtern, wobei der Schritt, das Brenngas aus den Feststoffteilchen, die in dem Brenner erzeugt werden, abzutrennen, die folgende Schritte umfaßt:
die Abgase im wesentlichen vollständig von den Feststoffteilchen, die in dem Brenner erzeugt werden, abzutrennen, und die im wesentlichen vollständig abgetrennten Abgase weitestgehend zu filtern.
Schließlich kann der Verbrennungsschritt in einem Schwelerofen vollzogen werden und
das Verfahren kann ferner beinhalten, die Verweilzeit der festen Brennstoffteilchen in dem Schwelerofen zu steuern, indem die festen Brennstoffteilchen aus dem Schwelerofen abgelassen und in den Brenner eingeführt werden.
Die Erfindung wird nun beispielhaft in bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, bei der es sich um ein schematisches Diagramm des Systems der vorliegenden Erfindung handelt. In der schematischen Darstellung der Zeichnung ist eine Gasturbine allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet und mit einem Luftkompressor 12, einem Abgaskompressor 13 und einem elektrischen Generator (nicht dargestellt) verbunden, um diesen auf herkömmliche Weise anzutreiben. Der Luftkompressor 12 nimmt Luft aus einer Zuführungsleitung 14 auf und komprimiert die Luft, bevor sie durch eine Leitung 16 geführt wird, die sich von dem Auslaß des Luftkompressor 12 zu dem Schwelerofen 18 über eine Öffnung erstreckt, die im unteren Bereich ausgebildet ist. Ein Anteil der Luft wird ebenfalls durch die Zweigleitungen 16a und 16b geführt, die sich jeweils von der Leitung 16 zu einer Öffnung im unteren Bereich der unter Druck arbeitenden Wirbelschicht 20 und einer Einlaßöffnung in der Leitung 21 erstrecken, wie es später beschrieben wird.
Der Schwelerofen 18 umfaßt ein im wesentlichen zylindrisches Reaktionsgefäß 22 mit konkaven Enden, so daß ein luftdichtes Gehäuse entsteht. Eine perforierte Luftverteilerplatte 24 wird auf geeignete Weise im unteren Bereich des Gefäßes 22 befestigt, und grenzt eine Luftkammer 26 unterhalb der Platte ab, die Druckluft aus dem Luftkompressor 12 aufnimmt. Die Luft, die durch die Luftkammer 26 eingeführt wird, tritt nach oben gerichtet durch die Platte 24 ein und kann durch Luftvorheizeinrichtungen (nicht dargestellt) vorgeheizt und, wenn nötig, durch Luftdrosseleinrichtungen (ebenfalls nicht dargestellt) entsprechend reguliert werden. Die Luftverteilerplatte 24 ist geeignet, eine Schicht 28 aus Teilchenmaterial zu halten, das im allgemeinen aus zerstoßener Kohle und Kalkstein oder Dolomit besteht, damit der Schwefel, der während der Verkokung und dem katalytischen Cracken von Kohle entsteht, absorbiert wird. Ein Brennstoffverteiler 30 erstreckt sich durch die Wand des Reaktionsgefäßes 22, um Teilchenmaterial in die Schicht 28 einzuführen, wobei es sich versteht, daß weitere Verteiler in den Kessel 22 eingebaut sein können, um adsorbiertes Teilchenmaterial und/oder zusätzliches teilchenförmiges Brennstoffmaterial, wenn nötig, auf der Schicht 28 zu verteilen.
Ein Ablaufrohr 32 paßt genau auf eine Öffnung in der Verteilerplatte 24 und erstreckt sich durch die Luftkammer 26 und die Wand des Gefäßes 22, um jegliches zu großes Material, das sich in dem Gefäß 22 bildet, in den Reaktor 20 abzugeben. Ein Regulierabsperrorgan 32a ist in dem Ablaßrohr 32 angeordnet, um die Abgabe des zu großen Materials zu regeln.
Eine Leitung 34 paßt auf eine Öffnung, die im oberen Bereich des Reaktionsgefäßes 22 ausgebildet ist, um eine Verbindung zwischen dem Gefäß 22 und einem Zyklonabscheider 36 mit hohem Wirkungsgrad, der neben dem Kessel 22 angeordnet ist, bereitzustellen. Der Zyklonabscheider 36 enthält ein koaxial angeordnetes inneres Rohr 36a, das zusammen mit der Wand des Abscheiders einen ringförmigen Strömungsweg für Brenngas bildet, das aus dem Reaktionsgefäß 22 in den Abscheider eintritt. Diese Gase wirbeln in dem ringförmigen Weg herum, so daß ein Anteil der mitgerissenen Feststoffe auf herkömmliche Weise durch Zentrifugalkräfte abgetrennt wird, bevor die Gase durch das Innenrohr 36a in einen benachbarten keramischen Querstromfilter 38 abgegeben werden. Der Filter 38 arbeitet auf herkömmliche Weise und trennt den übrigen Teil der mitgerissenen Feststoffe aus dem Brenngas ab. Da Querstromfilter nach dem Stand der Technik gut bekannt sind, wird der Filter 38 nicht genauer beschrieben.
Die abgeschiedenen Feststoffe in dem Abscheider 36 und dem Filter 38 fallen durch Schwerkraft jeweils in einen der unteren Filterbereiche 36b und 38a, die sich in eine Tauchrohrdichtung 40 erstrecken, die unter dem Filter 38 und neben dem unteren Endbereich des Reaktors 20 angeordnet ist. Eine Leitung 42 erstreckt sich von der Tauchrohrdichtung 40 und paßt auf eine Öffnung im unteren Bereich des Reaktors 20, um Koks und teilchenförmiges Sorptionsmittel in den Reaktor zu überführen. Die Tauchrohrdichtung 40 ist so ausgestaltet, daß sie eine Dichtung mit Druckdifferential zwischen dem Reaktor 20 und dem Zyklonabscheider 36 und dem Filter 38 bildet.
Der Reaktor 20 umfaßt ein im wesentlichen zylindrisches Reaktionsgefäß 44 mit konkaven Enden, so daß ein luftdichtes Gehäuses gebildet wird. Das Gefäß 44 weist einen oberen Bereich 44a mit größerem Durchmesser oder größerer Querschnittsfläche in bezug auf den unteren Bereich 44b auf. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis der Querschnittsfläche des unteren Bereiches 44b zu der Querschnittsfläche des oberen Bereiches 44a 0,75 und kann zwischen 0,65 : 1 und 0,90 : 1 aus Gründen, die später erklärt werden, variiert werden.
Eine perforierte Luftverteilerplatte 46 wird auf geeignete Weise im unteren Bereich 44 gehalten und begrenzt eine Luftkammer 48 unter der Platte, die Druckluft aus dem Kompressor 12 aufnimmt. Die Luft, die durch die Luftkammer 48 eingeführt wird, tritt nach oben gerichtet durch die Platte 46 und kann durch eine Luftvorheizeinrichtung (nicht dargestellt) vorgeheizt und durch Luftdrosseleinrichtungen (ebenfalls nicht dargestellt) wenn nötig auf geeignete Weise reguliert werden. Die Luftverteilerplatte 46 ist geeignet, eine Schicht 50 aus Teilchenmaterial zu halten, das im wesentlichen aus zerstoßener Kohle, Koks und Kalkstein oder Dolomit besteht, um den Schwefel, der während der Verbrennung des Kokses und der Kohle gebildet wird, zu absorbieren.
Ein Brennstoffverteiler 52 erstreckt sich durch die Wand des Reaktionsgefäßes 44, um teilchenförmigen Brennstoff zusätzlich zur Kohle und dem Sorptionsmittel, das durch die Leitung 42 in das Bett 50 eingeführt wird, einzuführen. Es versteht sich, daß andere Verteiler zur Verteilung des teilchenförmigen Sorptionsmittels und/oder zusätzlichen teilchenförmigen Brennstoffmaterials in das Bett 50, wenn nötig, in das Gefäß 44 eingebaut sein können.
Ein Ablaufrohr 54 paßt auf eine Öffnung in der Verteilerplatte 46 und erstreckt sich durch die Luftkammer 48 und die Wand des unteren Bereichs des Gefäßes 44, um verbrauchten Brennstoff abzugeben und Sorptionsmittel aus dem Bett 50 in externe Zubehörteile (nicht dargestellt) abzugeben.
Eine Leitung 56 paßt genau auf eine Öffnung, die im oberen Bereich des Reaktionsgefäßes 44 ausgebildet ist, um eine Verbindung zwischen dem Gefäß 44 und einem Zyklonabscheider 58 mit hohem Wirkungsgrad bereitzustellen, welcher neben dem Gefäß 44 angeordnet ist. Der Zyklonabscheider 58 umfaßt ein koaxial angeordnetes inneres Rohr 58a, das zusammen mit der Wand des Abscheiders einen ringförmigen Strömungsweg für die Abgase, die aus dem Reaktionsgefäß 44 in den Abscheider eintreten, bildet. Letztere Gase wirbeln in dem ringförmigen Weg herum, so daß die mitgerissenen Feststoffe auf herkömmliche Weise durch Zentrifugalkräfte abgetrennt werden, bevor die Gase durch das innere Rohr 58a in einen benachbarten keramischen Querstromfilter abgegeben werden. Der Filter 60 arbeitet auf herkömmliche Weise, indem er den übrigen Anteil der mitgerissenen Feststoffe aus dem Brenngas abtrennt. Da Querstromfilter nach dem Stand der Technik gut bekannt sind, wird der Filter 60 nicht genauer beschrieben.
Die aus dem Abscheider 58 und dem Filter 60 abgetrennten Feststoffe fallen in weiter unten angeordnete Trichterbereiche 58b, 60a des Abscheiders bzw. des Filters, die in ein im wesentlichen zylindrisches Wärmetauschgefäß 62 hineinragen, das unter dem Abscheider 58 und dem Filter 60 und neben dem unteren Ende des Bereichs 44a des Reaktionsgefäßes angeordnet ist. Eine Luftverteilerplatte 64 ist im unteren Bereich des Gefäßes 62 angeordnet und trägt ein Bett 66 aus Teilchenmaterial. Eine Luftkammer 68 wird in dem Gefäß 62 unter der Platte 64 begrenzt, um Luft, die aus einer externen Quelle (nicht dargestellt) aufgenommen wird, durch die Platte 64 und in das Innere des Gefäßes 62 einzuführen. Eine Trennwand 70 ist an der Platte 64 befestigt und erstreckt sich senkrecht zu dieser bis etwa zur Mitte des Gefäßes 62, um so die Schicht 66 in zwei Schichten 66a und 66b zu teilen. Die Gründe werden später diskutiert. Eine Gasleitung 71 führt die verwirbelte Luft aus den Schichten 66a und 66b in den unteren Teil des oberen Bereichs 44a des Gefäßes 44. Zwei Rückführungsleitungen 72a und 72b führen das abgetrennte Teilchenmaterial aus dem Gefäß 62 zurück in die Schicht 50 in dem Gefäß 44, wobei der Strom, wenn nötig, durch zwei Regulierabsperrorgane 74a und 74b entsprechend reguliert wird. Ein Ablaufrohr 76 gibt das Teilchenmaterial aus dem Gefäß 62 ab und eine Reihe von Wärmeaustauschrohren 78 ist in dem Gefäß 62 angeordnet, um eine Kühlflüssigkeit, wie Wasser, im Inneren des Kessels 62 im Kreis zu führen, um die Schicht 66b aus Gründen, die später erklärt werden, abzukühlen.
Das Wärmetauschgefäß 62 arbeitet so, daß es Wärme aus dem abgetrennten festen Material, das von dem Abscheider 58 und dem keramischen Querstromfilter 60 aufgenommen wird., auf Wasser, das durch die Reihe 78 Wärmeaustauschrohre fließt, übertragen wird. Ein Beispiel für ein Wärmeaustauschgefäß, das mit einem unter Druck arbeitenden Wirbelschichtreaktor verbunden ist, ist Gegenstand der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung mit dem Titel "A FLUDIZED BED SYSTEM AND METHOD OF OPERATING SAME UTILIZING AN EXTERNAL HEAT EXCHANGER" (Bezugszeichen des Anwalts 10283.376), das auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen worden ist.
Eine Leitung 80 ist auf eine Öffnung im oberen Bereich des Querstromfilters 38 angeschlossen und erstreckt sich zu einem ersten Gaseinlaß eines Primärbrenners 82. Vergleichbar ist eine Leitung 81 an eine Öffnung im oberen Endbereich des Querstromfilters 60 angeschlossen und erstreckt sich in einen zweiten Gaseinlaß des Primärbrenners 82. Der Primärbrenner 82 arbeitet auf herkömmliche Weise und verbrennt das Brenngas aus dem Filter 38 und damit dem Schwelerofen 18 in Gegenwart der Abgase aus dem Filter 60 und damit dem Reaktor 20, so daß heiße Gase erzeugt werden. Der Gasauslaß des Brenners 82 ist über eine Leitung 84 mit dem Einlaß der Gasturbine 10 verbunden, und die heißen Abgase aus dem Ablaß der Gasturbine 10 werden über eine Leitung 86 in eine Wärmerückgewinnungseinheit 88 überführt.
Die Wärmerückgewinnungseinheit 88 umfaßt eine Überheizeinrichtung 92, die so arbeitet, daß sie Wärme aus den heißen Abgasen, die von der Gasturbine 10 aufgenommen werden, auf Dampf, der durch die Überheizeinrichtung fließt, überträgt, so daß die Temperatur des Dampfes auf einen festgelegten Temperaturwert angehoben wird.
Der Dampfauslaß der Überheizvorrichtung 92 ist über eine Leitung 94 mit dem Dampfeinlaß einer Hochdruck-Dampfturbine 96 verbunden, die auf herkömmliche Weise elektrische Energie erzeugt. Der Dampfauslaß der Hochdruck-Dampfturbine 96 ist über eine Leitung 98 mit der Überheizvorrichtung 92 verbunden. Es gibt verschiedene Verbindungen, die gewöhnlich zur Hochdruck- Dampfverbindung 96 gehören und in der Zeichnung zur Vereinfachung der Darstellung nicht dargestellt sind, da sie bekannt sind.
Eine Abgasleitung 90 verbindet die Wärmerückgewinnungseinheit 88 mit einem Abzugsschornstein 100, und eine Leitung 91 erstreckt sich von der Leitung 90 zu einem Einlaß in dem Abgaskompressor 13, der das Abgas komprimiert. Das Abgas wird anschließend in die Leitung 21 eingeführt und mit Luft aus dem Luftkompressor 12, die über die Leitungen 16 und 16b in die Leitung 21 eingespeist wird, vermischt, um ein Sekundärgas zu bilden, das dann zu einem Einlaß in der Wand des Reaktionsgefäßes 44 geleitet wird, wobei der Einlaß in einer bestimmten Höhe über der Schicht 50 eingelassen ist. Es versteht sich, daß zusätzliche Gasleitungen an zusätzliche Einlässe angeschlossen sein können, welche in unterschiedlicher Höhe in die Wänden des Reaktors 20 eingelassen sein können.
Im Betrieb wird eine bestimmte Menge an Brennstoff und Sorptionsteilchen, wie Kohle und Kalkstein, durch den Verteiler 30 in den Schwelerofen 18 eingeführt und auf der oberen Fläche der Platte 24 aufgebaut. Die Teilchen werden durch Brenner (nicht dargestellt) entzündet, Luft wird mit relativ hohem Druck in die Luftkammer 26 eingeleitet und in dem Schwelerofen 18 wird ein Druck von 13 bis 16 Atmosphären (etwa 13·10&sup5; Pa bis 16·10&sup5; Pa) eingestellt. Die Geschwindigkeit der durch die Luftkammer 26, durch die Verteilerplatte 24 und in das Innere des Schwelerofens 18 eingeführten Luft wird entsprechend der Größe des Teilchenmaterials in dem Schwelerofen 18 eingestellt, so daß eine Wirbelschicht gebildet wird, was bedeutet, daß das Teilchenmaterial in einem solchen Ausmaß verwirbelt wird, daß das Teilchenmaterial in der Schicht zum großen Teil mitgerissen wird. Die Menge an relativ feiner und grober Kohle bzw. Kalksteinteilchen, die über den Verteiler 30 in die Schicht 28 eingeführt wird, ist so, daß die Gassäule, die sich über der Schicht 28 in dem Schwelerofen 18 bildet, mit festen Teilchen gesättigt ist, was bedeutet, daß die festen Teilchen in größtmöglichem Ausmaß von dem Gas mitgerissen werden. Infolge der Sättigung wird ein Teil der feinen Teilchen nicht mit dem Gas mitgerissen und bildet zusammen mit den relativ groben Teilchen eine abgetrennte Schicht 28 in dem Schwelerofen 18 mit einem relativ hohen Volumenanteil an Teilchen, z. B. 20 bis 30% des Gesamtvolumens, wenn bei maximaler Kapazität gearbeitet wird.
Die Menge an Luft, die durch die Luftkammer 26 eingeführt wird, wird so reguliert, daß nur ein Anteil des gesamten Sauerstoffs, der für die vollständige Verbrennung der Kohle erforderlich ist, zugeführt wird, was zu einer Pyrolyse oder Verkokung der Kohle bei einer Schichttemperatur im Bereich von 1470 bis 1500ºF (etwa 800 bis 815ºC) führt, wobei ein Niederenergiegas gebildet wird.
Die Mischung aus mitgerissenen Teilchen und Brenngas steigt auf, wobei sie eine Gassäule bildet, und tritt durch die Leitung 34 aus dem Gefäß 22 und in den Zyklonabscheider 36. Ein Anteil der feinen Teilchen wird von dem Brenngas in dem Abscheider 36 abgetrennt und wird der Tauchrohrdichtung 40 zugeführt, und der übrige Anteil der feinen Teilchen wird von dem Filter 38 abgetrennt und ebenfalls der Tauchrohrdichtung zugeführt. Das saubere Brenngas wird durch die Leitung 80 in den Brenner 82 abgegeben.
Die abgetrennten Feinteilchen in der Tauchrohrdichtung 40 werden über die Leitung 42 zusammen mit dem Brennstoff und dem Sorptionsmittel aus dem Verteiler 52 in den Reaktor 20 eingeführt, so daß eine Schicht 50 gebildet wird. Luft aus dem Kompressor 12 wird über Leitungen 16, 16a mit einem relativ hohen Druck in die Luftkammer 48 eingeführt und in dem Reaktor 20 wird ein Druck von 13 bis 15 Atmosphären (etwa 13·10&sup5; Pa bis 15·10&sup5; Pa) aufgebaut. Diese Luft speist einen Anteil des Gesamtsauerstoffbedarfs für die vollständige Verbrennung des Kokses und der Kohle ein, so daß die Verbrennung im unteren Bereich des Gefäßes 44 unvollständig ist und dieses demzufolge unter reduzierenden Bedingungen arbeitet, so daß ein Pyrolysegas gebildet wird. Wenn bei maximaler Kapazität gearbeitet wird, kann der Sauerstoffgehalt in der Luft, die durch die Luftkammer 48 zugeführt wird, zwischen 80 und 100% des Sauerstoffbedarfs liegen, der theoretisch für die Verbrennung gebraucht wird.
Sekundärgas aus der Leitung 21 wird oberhalb der Schicht 50 in das Gefäß 44 eingeführt, um den restlichen Anteil des gesamten Sauerstoffs, der für die vollständige Verbrennung des Pyrolysegases erforderlich ist, einzuführen, und demzufolge arbeitet der obere Bereich des Reaktors 20 unter oxidierenden Bedingungen, so daß Abgase erzeugt werden. Wenn bei maximaler Kapazität gearbeitet wird, kann der Sauerstoffgehalt der Luft, der durch die Leitung 21 zugeführt wird, zwischen 5 und 25% liegen, was zusammen mit dem Sauerstoff, der durch die Luftkammer 48 zugeführt wird, zu einer Gesamtmenge an Sauerstoff von 105% führt, die für die vollständige Verbrennung notwendig ist. Demzufolge benötigt der Reaktor 20 einen Überschuß an 5% Sauerstoff im Hinblick auf die vollständige Verbrennung, die Gründe werden im folgenden diskutiert.
Das die Verbrennung fördernde Hochdruckgas, das durch die Platte 46 aus der Luftkammer 48 in den Reaktor 20 eingespeist wird, bewirkt, daß die relativ kleinen Teilchen an Kohle, Koks und Kalkstein, die Kohleasche und verbrauchten Kalkstein enthalten, mitgerissen werden und so pneumatisch mit den Verbrennungsgasen transportiert werden. Die Mischung aus mitgerissenen Teilchen und Gas steigt in dem Reaktor 20 nach oben, und bildet eine Gassäule, die die mitgerissenen Feststoffe enthält, und tritt aus dem Reaktor 20 durch die Leitung 56 in den Zyklonabscheider 58. Die über die Luftkammer 48, durch die Verteilerplatte 46 und in das Innere des Reaktionsgefäßes 44 eingeführte Luft wird in Abhängigkeit der Größe des Teilchenmaterials in dem Reaktor 20 eingestellt, so daß eine Wirbelschicht gebildet wird, was bedeutet, daß Teilchenmaterial in einem Ausmaß verwirbelt wird, daß das Teilchenmaterial in der Schicht im wesentlichen mitgerissen wird.
Die Menge an relativ feinen und an relativ groben Koks-, Kohle- und Kalksteinteilchen, die über die Leitung 42 und den Verteiler 52 in die Schicht 50 eingeleitet wird, ist so, daß die Gassäule, die in dem Reaktionsgefäß 44 über der Schicht 50 gebildet wird, mit Feststoffteilchen gesättigt ist, d. h. die Feststoffteilchen werden im größtmöglichen Ausmaß durch das Gas mitgerissen. Als Folge der Sättigung wird ein Anteil der feinen Teilchen nicht von dem Gas mitgerissen und bildet zusammen mit den relativ groben Teilchen die Schicht 50, die einen relativ hohen Volumenanteil an Teilchen aufweist, wie etwa 20 bis 30% des Gesamtvolumens, wenn bei maximaler Kapazität gearbeitet wird.
Die Mischung der Gasen und mitgerissenen feinen Teilchen wird aus dem Gefäß 44 in den Abscheider 58 überführt, wo ein Anteil der feinen Teilchen von den Abgasen abgetrennt wird. Der übrige Anteil der mitgerissenen feinen Teilchen und der Abgase wird durch das Innenrohr 58a in den Filter 60 abgegeben, wo ein größerer Anteil der übrigen feinen Teilchen von den Gasen abgetrennt wird. Die abgetrennten feinen Teilchen werden dann aus dem Abscheider 58 und dem Filter 60 in ein Wärmeaustauschgefäß 62 überführt, indem sie die Schichten 66a und 66b bilden.
Die Wärmetauschrohre 78 in dem Wärmetauschgefäß 52 führen Wärme von den Teilchen, die die Schicht 66b bilden, auf herkömmliche Weise ab, so daß die Schicht 66b erheblich kühler als die Schicht 66a ist. Der Anteil an heißen feinen Teilchen in bezug auf kühlere feine Teilchen, die in die Schicht 50 zurückgeführt werden, wird durch die Absperrorgane 74a und 74b gesteuert, die jeweils den Strom der relativ heißen Teilchen und relativ kühlen Teilchen durch die Leitungen 72a und 72b steuern und somit eine Regelung der Temperatur in der Schicht 50 möglich machen.
Das Einführen der Mischung aus feinen und groben Teilchen in den Reaktor 20 durch die Leitung 42 und den Verteiler 52 wird so gesteuert, daß die Mischung in geeigneten Anteilen eingestellt wird, um sicherzustellen, daß ein bestimmtes Teilchen- Gas-Verhältnis beibehalten wird und daß die Gassäule über der Schicht 50 mit den Teilchen gesättigt ist, ungeachtet dessen, daß die groben Teilchen aus dem Ablaßrohr 54 und ein Teil der feinen Teilchen aus dem Ablaßrohr 76 des Wärmeaustauschgefäßes 62 abgelassen werden.
Die Abgase aus dem Reaktor 20, dem Abscheider 58 und dem Filter 60 werden über die Zweigleitung 81 in den Brenner 82 überführt, der außerdem Brenngas aus dem Schwelerofen 18, dem Abscheider 36 und dem Filter 38 über die Leitung 80 aufnimmt. In dem Brenner 82 wird das Brenngas in Gegenwart von 5% überschüssigem Sauerstoff in dem Abgas verbrannt, um die Temperatur der Gase in dem Brenner 74 auf eine bestimmte Temperatur von z. B. 2000ºF (etwa 1100ºC) anzuheben. Die gasförmigen Verbrennungsprodukte werden dann von dem Brenner 82 in die Gasturbine 10 überführt, um diese anzutreiben und um zu ermöglichen, daß die Turbine 10 den Luftkompressor 12, den Abgaskompressor 13 und einen elektrischen Generator (nicht dargestellt) antreibt. Die Abgase aus der Turbine 10 werden über die Leitung 86 in die Wärmerückgewinnungseinheit 88 zur Erzeugung eines Hochdruckdampfes überführt, der die Dampfturbine 96 antreibt.
Ein Anteil des abgekühlten Abgases aus der Turbine wird über die Leitung 90 aus der Wärmerückgewinnungseinheit 88 in den Abzugsschornstein 100 überführt und ein weiterer Anteil wird über die Leitung 91 in den Abgaskompressor 13 überführt, bevor er in die Leitung 21 eingeführt wird. Luft aus dem Luftkompressor 12 wird über die Leitung 16 und die Zweigleitung 16b in die Leitung 21 überführt und mit dem Gas in dieser Leitung vermischt, wobei Sekundärgas gebildet wird, das dann in das Reaktionsgefäß 44a überführt wird, um es erneut zu erhitzen. Das Sekundärgas wird dem Reaktor 20 auf die gleiche Weise mit 200% bis 240% der stöchiometrischen Menge an Luft zugeführt, entsprechend den Betriebserfordernissen der Gasturbine 10, wobei diese Menge in Abhängigkeit von der gewünschten Gastemperatur am Ausgang von 1600º Fahrenheit (etwa 900ºC) variiert werden kann.
Aufgrund des vergrößerten Querschnittsbereiches des oberen Bereichs 44a des Reaktionsgefäßes, erhöht das Sekundärgas, das in diesem Bereich eingeführt wird, die Geschwindigkeit der Brenngase nur wenig, womit der Erosion der Flächen in diesem Bereich begrenzt wird. Um die Geschwindigkeit der exothermen Reaktionen zu begrenzen, entspricht die endgültige Menge an Gas etwa 300% der stöchiometrischen Menge, während die Menge an Reaktionsgas auf wenig über der exakten Stöchiometrie begrenzt ist.
Das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung haben verschiedene Vorteile im Gegensatz zum Stand der Technik. So kann der Reaktor 20 für die Verbrennung relativ preiswerte Kohle mit hohem Schwefelgehalt verwenden und stellt einen wesentlichen Anteil der Energie bereit, die sowohl für den Betrieb der Gasturbine 10 als auch der Dampfturbine 96 zur Erzeugung elektrischer Energie erforderlich ist. Außerdem wird durch den Einbau des Schwelerofen 18 Brenngas aus relativ kostengünstigen Brennstoffen erzeugt, wie Kohle, um die zusätzliche Energie bereitzustellen, die für den Betrieb der Gasturbine 10 erforderlich ist. Ferner werden die Abgase aus der Turbine 10 der Wärmerückgewinnungseinheit 88 zur Herstellung von Dampf für den Betrieb der Dampfturbine 96 zugeführt, was zur Rückgewinnung von thermischer Energie, die in den Abgasen gespeichert ist, führt.
Ferner kann die Temperatur der Schicht 50 variiert werden, indem die Menge an Luft, die der Schicht zugeführt wird, variiert wird. Der Großteil der Reaktion einschließlich insbesondere der Verbrennung, zwischen Feststoffen und Gasen, erfolgt im unteren Gefäßbereich 44b, wobei die Bildung von Stickoxiden und alkalischen Gasen minimiert wird und die Absorption von Schwefeloxiden maximiert wird. Auch unterstützt die stufenförmige Zuführung von Sekundärgas die Minimierung der Produktion von Stickoxiden.
Ferner ermöglicht die Abgabe relativ feinen Schichtmaterials durch das Ablaßrohr 76 und relativ groben Materials durch das Ablaßrohr 54, das Verhältnis von relativ grobem zu relativ feinem Teilchenmaterial in dem Reaktionsgefäß 20 zu regulieren. Folglich kann die Verweilzeit sowohl des relativ groben als auch des relativ feinen Teilchenmaterials, das in dem Reaktionsgefäß vorliegt und in diesem im Kreis geführt wird, eingestellt wird, um die jeweiligen Reaktionsbedingungen anzupassen, was zu einem erhöhten betrieblichen Wirkungsgrad führt.
Obwohl es nicht speziell in der Zeichnung dargestellt ist, versteht es sich, daß notwendiges zusätzliches Zubehör vorgesehen sein kann und daß dieses und alle beschriebenen Bauteile auf geeignete Weise zusammengesetzt werden können, so daß ein vollständiges und betriebsfähiges System gebildet wird.
Anstelle der keramischen Querstromfilter können elektrische Abscheider vorgesehen sein und der Schwelerofen kann durch ein Pyrolysegefäß oder einen Brenngasgenerator ersetzt sein.

Claims

1. Kombinationskraftwerk, aufweisend: eine Brenngas erzeugenden Vorrichtung (18) zur Erzeugung von Brenngas, das mitgerissene feste Brennstoffteilchen enthält,

einen ersten Abscheider (36), um die festen Brennstoffteilchen aus dem Brenngas abzutrennen,

einen Reaktor (20) zur Erzeugung von Abgas aus den festen Brennstoffteilchen, die durch den ersten Abscheider (36) abgeschieden sind, wobei das Abgas mitgerissene Feststoffteilchen enthält,

einen zweiten Abscheider (58) zum Abscheiden der Feststoffteilchen aus dem Abgas,

einen Brenner (82) zur Verbrennung der Brenngase in Gegenwart der Abgase, um heiße Gase zu erzeugen, die in eine Gasturbine (10) eingeführt werden, um Energie und heiße Abgase zu erzeugen, und

eine Dampfturbine (96), die eine Wärmerückgewinnungseinheit (88) umfaßt, wobei die Abgase aus der Gasturbine (10) in einer Wärmerückgewinnungseinheit (88) zur Erzeugung von Dampf abgekühlt werden,

dadurch gekennzeichnet,

daß das System ferner einen Kompressor (13) enthält, um einen Anteil des relativ kühlen Abgases aus der Wärmerückgewinnungseinheit (88) zu komprimieren und diesen in den Reaktor (20) einzuführen, um überschüssiges Sekundärgas zur Unterstützung des Antriebs der Gasturbine (10) bereitzustellen.

2. System nach Anspruch 1, in dem die Brenngas erzeugende Vorrichtung (18) ein Schwelerofen (18) ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, in dem der Reaktor (20) ein unter Druck arbeitender Wirbelschichtreaktor ist.

4, System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner einen Wärmetauscher (62) zur Aufnahme von Teilchen aufweist, die aus den Abgasen mit Hilfe eines Abgasabscheiders (58) abgetrennt sind.

5. System nach Anspruch 4, in dem der Wärmetauscher (62) dazu dient, einen Anteil der Teilchen aus dem Abgasabscheider (58) abzukühlen, und in dem Vorrichtungen vorgesehen sind, um die abgekühlten Teilchen und die übrigen Teilchen in den Reaktor (20) zurückzuführen, wobei das Verhältnis der abgekühlten zu den nicht abgekühlten Teilchen einstellbar ist, um die Temperatur des Reaktors (20) zu steuern.

6. System nach Anspruch 4 oder 5, in dem der Wärmetauscher (62) eine Kammer enthält, die eine Luftverteilerplatte (64) umfaßt, die so angeordnet ist, daß sie eine Luftkammer (68) im unteren Bereich der Kammer abtrennt, und eine Trennwand (70), die sich von der Platte (64) nach oben erstreckt, so daß sie einen ersten und einen zweiten Bereich (66a, 66b) in der Kammer abteilt, Luft einführende Vorrichtungen (76), um Luft in die Luftkammer (68) einzuführen, um das Teilchenmaterial in der Kammer zu verwirbeln und Vorrichtungen, um die Luft in der Kammer in den Reaktor (20) zu überführen.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem der oder jeder Abscheider (36, 58) einen Zyklonabscheider (36, 58) umfaßt, um das Gas und die mitgerissenen Feststoffteilchen aufzunehmen und die mitgerissenen Feststoffteilchen im wesentlichen vollständig von dem Gas abzutrennen, und einen keramischen Querstromfilter (38, 60), um das im wesentlichen vollständig abgetrennte Gas von dem Zyklonabscheider (36, 58) abzutrennen und ferner die mitgerissenen Teilchen von dem im wesentlichen vollständig abgeschiedenen Gas abzuscheiden.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem das Sekundärgas in den oberen Bereich des Reaktors (20) eingeführt wird.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem zumindest entweder die Gasturbine (10) oder die Dampfturbine (96) einen elektrischen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem Ablaßeinrichtungen vorgesehen sind, um Teilchen aus der Brenngas erzeugenden Einrichtung (18) abzulassen, um die Verweilzeit der Teilchen in der Brenngas erzeugenden Einrichtung (18) zu steuern.

11. Verfahren zur Energieerzeugung unter Verwendung eines Kombinationskraftwerks, mit den Schritten:

Erzeugung von Brenngas, welches mitgerissene feste Brennstoffteilchen enthält,

Abtrennen der festen Brennstoffteilchen aus dem Brenngas, Erzeugung von Abgas in einem Reaktor (20) aus Feststoffteilchen, wobei das Abgas mitgerissene Feststoffteilchen enthält,

Abscheiden der Feststoffteilchen aus dem Abgas, Verbrennung des Brenngases in Gegenwart des Abgases, um heiße Gase zu erzeugen, die in die Gasturbine (10) eingeführt werden, um Energie und heiße Abgase zu erzeugen und Abkühlen der Abgase aus der Gasturbine (10) in einer Wärmerückgewinnungseinheit (88) zur Erzeugung von Dampf, um eine Dampfturbine (96) anzutreiben,

gekennzeichnet durch

Komprimieren eines Anteils der relativ kühlen Abgase aus der Wärmerückgewinnungseinheit (88) und Einführen des komprimierten Gases in den Reaktor (20), um zusätzliches Sekundärgas bereitzustellen, das den Betrieb der Gasturbine (10) unterstützt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, in dem zumindest ein Anteil der entfernten Teilchen in einem Wärmetauscher (62) abgekühlt wird, bevor er erneut in den Reaktor (20) zurückgeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, in dem das Sekundärgas in den oberen Bereich des Reaktors (20) eingeführt wird.