DE69815868T2

DE69815868T2 - Umrüstung von kohlekraftwerken mit wasserstoffbrennern

Info

Publication number: DE69815868T2
Application number: DE69815868T
Authority: DE
Inventors: L. Ronald BANNISTER; A. Richard NEWBY
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1998-04-02
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2018-04-03
Also published as: EP1015738A1; JP2001522431A; WO1998049428A1; US6021569A; KR20010020447A; EP1015738B1; US6263568B1; DE69815868D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Energieerzeugungssysteme. Spezieller betrifft diese Erfindung Energieerzeugungssysteme, bei denen Dampf zur Erzeugung von Energie verwendet wird.
Gegenwärtig werden kohlegeheizte Dampfkessel in Verbindung mit Dampfturbinensystemen zur Erzeugung von Energie wie etwa Elektrizität verwendet. Es wird auf die den Stand der Technik darstellende 1 Bezug genommen; ein dem Stand der Technik entsprechendes Energieerzeugungssystem 10 umfasst einen kohlegeheizten Dampfkessel 12, ein Dampfturbinensystem 14, einen Kondensator 16 und ein Abgasreinigungssystem 23. Ein Kohlestrom 18 und ein Luftstrom 20 werden dem kohlegeheizten Dampfkessel 12 zugeführt. Der Kohlestrom 18 wird im Kessel 12 verbrannt, wodurch Wärmeenergie und ein Kessel-Emissionsstrom 22 erzeugt werden. Der Kessel-Emissionsstrom 22 strömt durch das Abgasreinigungssystem 23 hindurch, wodurch ein saubererer Emissionsstrom 25 erzeugt wird. Ein Wasserstrom 24 wird durch ein umschlossenes Verteilerrohr 26 im Kessel 12 geleitet und nimmt einen Teil der erzeugten Wärmeenergie auf, wodurch ein Dampfstrom 28 erzeugt wird. Der Dampfstrom 28 wird durch das Dampfturbinensystem 14 geleitet und expandiert in ihm; dieses umfasst eine Hochdruckturbine 30, eine Zwischendruckturbine 32 und eine Niederdruckturbine 34, die in Reihe auf einer Welle 36 angeordnet sind, welche mit einem Generator 38 verbunden ist. Der expandierende Dampfstrom 28 bewirkt, dass die Turbinen und die Welle rotieren, wodurch wiederum über den Generator 38 Elektrizität erzeugt wird. Ein vollständig expandierter Dampfstrom 40 tritt aus der Niederdruckturbine 34 aus und kondensiert im Kondensator 16, wodurch der Wasserstrom 24 erzeugt wird. Eine Nachfüll-Wassereinspeisung 42 verstärkt je nach Bedarf den Wasserstrom 24. Dies ist nur ein allgemeines Flussdiagramm eines Energieerzeugungssystems, und andere Systeme können andere Anordnungen aufweisen.
Das dem Stand der Technik entsprechende Energieerzeugungssystem 10, bei dem kohlegeheizte Kessel 12 verwendet werden, weist Probleme im Zusammenhang mit der Umweltverschmutzung und dem Wirkungsgrad auf. Die kohlegeheizten Kessel erzeugen gesetzlichen Bestimmungen unterliegende Emissionen, wie etwa NO_x, SO_x, aus Partikeln bestehende Stoffe, standortspezifische Arten von Emissionen und Emissionen von Treibhausgasen. Es wurde eine Reihe von Versuchen unternommen, um die Menge der gesetzlichen Bestimmungen unterliegenden Emissionen von kohlegeheizten Dampfkesseln zu verringern. In den Kesseln wurden Brenner mit niedrigen NO_x-Emissionen verwendet, um die NO_x-Werte in den Emissionen zu senken. Das Abgasreinigungssystem 23 kann Skrubber zur Beseitigung der SO_x und einen Stapel Glasgewebe-Filter (Baghouse) zur Beseitigung der aus Partikeln bestehenden Stoffe umfassen. Die Installation der Vorrichtungen zur Entfernung der gesetzlichen Bestimmungen unterliegenden Emissionen ist teuer, und im Allgemeinen verringern sie den Gesamtwirkungsgrad der Anlage. Außerdem können die standortspezifischen Emissionen, Treibhausgase und andere Bestandteile der Emissionen mit der zur Zeit verfügbaren Technologie nicht ohne weiteres reduziert werden. Ferner ist der Wirkungsgrad der dem Stand der Technik entsprechenden Energieerzeugungssysteme 10, bei denen kohlegeheizte Kessel 12 verwendet werden, durch die Energie des erzeugten Dampfes begrenzt. Die höchste typische Temperatur des überhitzten Dampfstromes von einem Kessel beträgt etwa 1000°F (538°C), während hochentwickelte Kesselkonstruktionen Dampf mit einer Temperatur von 1200°F (649°C) erzeugen. Wenn die Wirkungsgrade erhöht würden, müsste weniger Kohle verbrannt werden, wodurch die eine Umweltverschmutzung verursachenden Emissionen verringert würden.
Das Dokument DE-A-2554994 offenbart eine Vorrichtung, von der angegeben wird, dass sie zur Umwandlung der in Wasserstoff oder Wasserstoff-Sauerstoff-Gas gespeicherten Energie in mechanische und/oder elektrische Arbeit bestimmt ist. Von diesem Dokument wird angegeben, dass es die Umwandlung oder Ausrüstung von Dampfturbinenmaschinen für die Wasserstoff-/Sauerstoff-Beheizung betrifft.
Das Dokument US-A-4910963 offenbart ein auf Sonnenenergie beruhendes Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom. Von diesem Verfahren wird angegeben, dass es einen Kessel und Verdampfungsvorrichtungen zum Verbrennen der Reaktionspartner Wasserstoff und Sauerstoff umfasst, um elektrische Energie oder mechanische Energie zu liefern.
Es existieren jedoch zahlreiche dem Stand der Technik entsprechende Energieerzeugungssysteme, bei denen kohlegeheizte Kessel verwendet werden, und sie stellen eine gewaltige Kapitalinvestition dar. Deshalb besteht ein Bedarf an einer Erzeugung von Energie mit höherem Wirkungsgrad und geringerer Umweltverschmutzung bei gleichzeitiger Erhaltung der Kapitalinvestition der existierenden Energieerzeugungssysteme.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren zur Nachrüstung eines Energieerzeugungssystems, welches einen kohlegeheizten Dampfkessel, ein Dampfturbinensystem und einen Kondensator umfasst, durch die folgenden Schritte: Ersetzen des kohlegeheizten Dampfkessels durch ein mit Wasserstoff beheiztes Verbrennungssystem, so dass ein von dem mit Wasserstoff beheizten Verbrennungssystem erzeugter Dampfstrom zu dem Dampfturbinensystem geleitet wird; Anschließen eines Dampf-/Wasserstroms, eines Wasserstoffstroms und eines Sauerstoffstroms an das besagte mit Wasserstoff beheizte Verbrennungssystem; ist dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: Anschließen eines Wasserstroms an einen Einlass eines umschlossenen Wasser-Verteilerrohres eines Wärmetauschers zur Wiedergewinnung von Wärmeenergie von dem besagten Dampfstrom in dem Dampfturbinensystem; und Anschließen des besagten Dampf-/Wasserstroms an einen Dampf-/Wasser-Auslass des besagten umschlossenen Wasser-Verteilerrohres, wobei der besagte Wasserstrom an den Kondensator angeschlossen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die den Stand der Technik betreffende 1 zeigt ein Schema eines Energieerzeugungssystems nach dem Stand der Technik mit einem kohlegeheizten Dampfkessel.
2 ist ein Schema des Energieerzeugungssystems nach dem Stand der Technik, das mit einem mit Wasserstoff beheizten Verbrennungssystem nachgerüstet wurde, welches den kohlegeheizten Dampfkessel ersetzt.
3 ist ein Schema des Energieerzeugungssystems nach dem Stand der Technik, das mit einem mit Wasserstoff beheizten Verbrennungssystem zwischen dem kohlegeheizten Dampfkessel und dem Dampfturbinensystem nachgerüstet wurde.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen, und es wird insbesondere auf 2 Bezug genommen; ein nachgerüstetes Energieerzeugungssystem 100 umfasst das Dampfturbinensystem 14 und den Kondensator 16 des Energieerzeugungssystems nach dem Stand der Technik 10, wobei ein mit Wasserstoff beheiztes Verbrennungssystem 102 den kohlegeheizten Dampfkessel 12 ersetzt. Das System wurde außerdem mit einem Wärmetauscher 104 nachgerüstet, der ein umschlossenes Wasser-Verteilerrohr 106 aufweist, welches den Wasserstrom 24 aufnimmt. Eine Dampfleitung 110, die sich von der Zwischendruckturbine 32 zur Niederdruckturbine 34 erstreckt, verläuft durch den Wärmetauscher 104 hindurch und ermöglicht dabei die Übertragung von Wärmeenergie von der von entspanntem Dampf durchströmten Leitung 110 auf den Wasserstrom 24 in dem umschlossenen Wasser-Verteilerrohr 106. Der erwärmte Wasserstrom 24 tritt aus dem Wärmetauscher 104 als ein Dampf-/Wasserstrom 108 aus. Andere Ausführungsformen der Erfindung weisen möglicherweise keinen Wärmetauscher auf oder weisen einen oder mehrere Wärmetauscher in anderen Anordnungen in dem nachgerüsteten Energieerzeugungssystem 100 auf.
Das mit Wasserstoff beheizte Verbrennungssystem 102 ist an den Dampf/Wasserstrom 108 angeschlossen, außerdem an einen Wasserstoffstrom 114 und einen Sauerstoffstrom 116. Der Wasserstoffstrom 114 wird in dem Verbrennungssystem 102 verbrannt, wodurch ein überhitzter Dampfstrom 112 von etwa 1200°F (648°C) bis 1600°F (872°C) erzeugt wird. Der Dampfstrom 112 wird zu der Hochdruckturbine 30 des Dampfturbinensystems 14 geleitet. Wenn der Wasserstoffstrom 114 und der Sauerstoffstrom 116 rein wäre, so wären die Emissionen von NO_x, SO_x und aus Partikeln bestehenden Stoffen, die standortspezifische Arten von Emissionen und die Emissionen von Treibhausgasen gleich Null. Ferner wäre die Entstehung von festen Abfällen und von flüssigen/schlammförmigen Abfällen vernachlässigbar im Vergleich zu den Typen von Abfällen, die von dem Energieerzeugungssystem 10 mit dem kohlegeheizten Dampflcessel 12 erzeugt werden.
Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung werden eventuell Abfälle erzeugt, die möglicherweise ordnungsgemäß entsorgt oder behandelt werden müssen. Um niedrige Emissionspegel des nachgerüsteten Energieerzeugungssystems 100 zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, ist es erforderlich zu verstehen, wie Verunreinigungen in das vorgeschlagene System eindringen können, und danach zu bestimmen, wie die Pegel innerhalb des Systems minimiert werden können. Zum Beispiel können Verunreinigungen mit dem Wasserstoffstrom 114 und dem Sauerstoffstrom 116 oder über den Kondensator in das System gelangen, oder sie können innerhalb desselben durch Korrosion von Werkstoffen auf der Strömungsstrecke entstehen. Die Kontrolle vieler der verunreinigenden Stoffe kann am Kondensator 16 und an einer Anzapfung 120 vorgenommen werden. Der Kondensator 16 kann bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung aus dem vollständig expandierten Dampfstrom 40 Schadstoffe von Abgasen 122 absondern, welche nicht kondensierbare Gase und Dämpfe darstellen, zwecks Recycling oder Entsorgung. Das Recycling und die Entsorgung können die Behandlung der Abgase 122 mit einem Abgasreinigungssystem 124 einschließen, durch die Abgase mit reduziertem Schadstoffgehalt 126 erzeugt werden. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung werden die Abgase 122 möglicherweise nicht behandelt, oder existierende Abgasreinigungssysteme 124 werden verändert, um Veränderungen in dem vollständig expandierten Dampfstrom 40 infolge der Verbrennung von Wasserstoff Rechnung zu tragen. Durch die Anzapfung 120 des Wasserstroms 24 wird das durch die Verbrennung von Wasserstoff erzeugte überschüssige Wasser im System freigesetzt, zusammen mit einem weiteren Teil der verunreinigenden Stoffe im System. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist infolge der Verbrennung von Wasserstoff anstelle von Kohle die Summe der Schadstoffe, die von dem nachgerüsteten Energieerzeugungssystem 100 freigesetzt werden, gleich der oder kleiner als die Summe der Schadstoffe, die von dem Energieerzeugungssystem nach dem Stand der Technik 10 freigesetzt werden, wenn dieses so betrieben wird, dass eine vergleichbare Menge Elektroenergie erzeugt wird.
Es wird nun auf 3 Bezug genommen; bei einem nachgerüsteten Energieerzeugungssystem 200 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Hochdruckturbine 30 des Energieerzeugungssystems nach dem Stand der Technik 10 durch ein Nachrüstungspaket 202 ersetzt, das aus einem mit Wasserstoff beheizten Verbrennungssystem 204 und einer neuen Hochdruckturbine 206 besteht. Der Dampfstrom 28 wird in das mit Wasserstoff beheizte Verbrennungssystem 204 geleitet, zusammen mit einem Wasserstoffstrom 214 und einem Sauerstoffstrom 216. Der Wasserstoffstrom 214 wird darin verbrannt, wodurch ein überhitzter Dampfstrom 212 von etwa 1200°F bis 1600°F (648°C bis 872°C) erzeugt wird. Der Dampfstrom 212 wird zu der neuen Hochdruckturbine 206 geleitet. Die neue Hochdruckturbine 206, die nun Bestandteil des neuen Dampfturbinensystems 218 ist, ist so konstruiert, dass der überhitzte Dampfstrom 212 expandiert, so dass der Strom von der Zwischendruckturbine 32 aufgenommen werden kann. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann mehr als nur die Hochdruckturbine 30 durch eine neue Turbine oder Turbinen ersetzt sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist infolge der Verbrennung von Wasserstoff zusammen mit der Kohle die Summe der Schadstoffe, die von dem nachgerüsteten Energieerzeugungssystem 200 freigesetzt werden, gleich der oder kleiner als die Summe der Schadstoffe, die von dem Energieerzeugungssystem nach dem Stand der Technik 10 freigesetzt werden, wenn dieses so betrieben wird, dass eine vergleichbare Menge Elektroenergie erzeugt wird. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung wird möglicherweise nicht so viel Kohle verbrannt, wodurch eine Einschränkung beim Betrieb des Abgasreinigungssystems 23 und daraus resultierende Kosteneinsparungen ermöglicht werden. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung werden möglicherweise die Abgase vom Kondensator 16 so behandelt, wie dies im Zusammenhang mit der in 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde.
Die vorliegende Erfindung kann bei Energieerzeugungssystemen angewendet werden, die mehr oder weniger als drei Turbinen, mehr als ein Dampfturbinensystem und mehr als einen kohlegeheizten Dampfkessel aufweisen. Ebenso können die mit Wasserstoff beheizten Verbrennungssysteme mehr als einen Combustor umfassen. Ferner ist das "Ersetzen" einer Komponente des Energieerzeugungssystems äquivalent zum Herausnehmen einer ursprünglichen Komponente aus dem Verfahrenszyklus und dem Einsetzen einer neuen Komponente an ihrer Stelle, ohne dass die ursprüngliche Komponente physisch entfernt wird. Zusätzlich führt bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das nachgerüstete Energieerzeugungssystem zu einer Verringerung der Menge (in kg) der Schadstoffe in den Emissionen pro kW im Vergleich zu dem ursprünglichen Energieerzeugungssystem. Dementsprechend kann die vorliegende Erfindung in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden, ohne dass der Bereich oder wesentliche Merkmale derselben verlassen werden, und dementsprechend sind die beigefügten Ansprüche und nicht die obenstehende Beschreibung maßgebend, was den Schutzbereich der Erfindung anbelangt.

Claims

Verfahren zur Nachrüstung eines Energieerzeugungssystems, welches einen kohlegeheizten Dampfkessel (12), ein Dampfturbinensystem (14) und einen Kondensator (16) umfasst, durch die folgenden Schritte: a) Ersetzen des kohlegeheizten Dampfkessels (12) durch ein mit Wasserstoff beheiztes Verbrennungssystem (102), so dass ein von dem mit Wasserstoff beheizten Verbrennungssystem (102) erzeugter Dampfstrom (112) zu dem Dampfturbinensystem (14) geleitet wird; b) Anschließen eines Dampf-/Wasserstroms (108), eines Wasserstoffstroms (114) und eines Sauerstoffstroms (116) an das besagte mit Wasserstoff beheizte Verbrennungssystem (102); dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: c) Anschließen eines Wasserstroms (24) an einen Einlass eines umschlossenen Wasser-Verteilerrohres (106) eines Wärmetauschers (104) zur Wiedergewinnung von Wärmeenergie von dem besagten Dampfstrom (112) in dem Dampfturbinensystem (14); und d) Anschließen des besagten Dampf-/Wasserstroms (108) an einen Dampf/Wasser-Auslass des besagten umschlossenen Wasser-Verteilerrohres (106), wobei der besagte Wasserstrom (24) an den Kondensator (16) angeschlossen wird.
Verfahren zur Nachrüstung nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: a) Entfernen eines Kessel-Abgasreinigungssystems (124) zum Entfernen wenigstens eines Teils der Schadstoffe im Emissionsstrom (40) eines kohlegeheizten Dampfkessels; und b) Einbau eines Kondensator-Abgasreinigungssystems (124) zur Behandlung der vom Kondensator (16) freigesetzten Abgase (122).
Verfahren zur Nachrüstung nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: a) Entfernen eines Kessel-Abgasreinigungssystems (124) zum Entfernen wenigstens eines Teils der Schadstoffe im Emissionsstrom (40) eines kohlegeheizten Dampfkessels; und b) Veränderung eines existierenden Kondensator-Abgasreinigungssystems (124) zur Behandlung der vom Kondensator (16) freigesetzten Abgase (122), um Veränderungen in dem vollständig expandierten Dampfstrom (40) infolge der Verbrennung von Wasserstoff Rechnung zu tragen.
Verfahren zur Nachrüstung eines Energieerzeugungssystems, welches einen kohlegeheizten Dampfkessel (12) und ein ursprüngliches Dampfturbinensystem (14) zur Aufnahme eines Dampfstroms (28) von dem kohlegeheizten Kessel (12) umfasst, durch die folgenden Schritte: a) Einbau eines mit Wasserstoff beheizten Verbrennungssystems (204) zur Aufnahme des Dampfstroms (28), eines Wasserstoffstroms (214) und eines Sauerstoffstroms (216) und zur Erzeugung eines überhitzten Dampfstroms (212) daraus; dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: b) den Einbau eines neuen Dampfturbinensystems (218), das in der Lage ist, den besagten überhitzten Dampfstrom (212) aufzunehmen und expandieren zu lassen und den besagten expandierten überhitzten Dampfstrom (212) zu wenigstens einem Teil des besagten ursprünglichen Dampfturbinensystems (14) zu leiten.
Verfahren zur Nachrüstung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Schritt des Einbau des besagten neuen Dampfturbinensystems (218) ferner den Schritt des Ersetzens eines Hochdruckabschnitts (30) des ursprünglichen Dampfturbinensystems (14) durch das besagte neue Dampfturbinensystem (2l8) umfasst.
Verfahren zur Nachrüstung nach Anspruch 4, ferner gekennzeichnet durch den Schritt des Einbaus eines Kondensator-Abgasreinigungssystems (23) zur Behandlung der von einem Kondensator (16) im Energieerzeugungssystem freigesetzten Abgase.
Verfahren zur Nachrüstung nach Anspruch 4, ferner gekennzeichnet durch den Schritt der Veränderung eines existierenden Kondensator-Abgasreinigungssystems (124) zur Behandlung der von einem Kondensator (16) im Energieerzeugungssystem freigesetzten Abgase (122), um Veränderungen in dem vollständig expandierten Dampfstrom (40) infolge der Verbrennung von Wasserstoff Rechnung zu tragen.
Verfahren zur Nachrüstung nach Anspruch 1 oder 4, ferner gekennzeichnet durch den Schritt des Betriebs des nachgerüsteten Energieerzeugungssystems durch Erzeugung eines Dampfstroms (112, 212) von etwa 1200°F bis 1600°F (648°C bis 872°C) von dem mit Wasserstoff beheizten Verbrennungssystem (102, 204).