DE69829250T2

DE69829250T2 - Kombikraftwerk

Info

Publication number: DE69829250T2
Application number: DE69829250T
Authority: DE
Inventors: Masaki Chiyoda-ku Iijima; Tetsuya Chiyoda-ku Imai
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1998-06-16
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2018-06-17
Also published as: CA2240919A1; ID20892A; US6141956A; MY116749A; JP3794796B2; CN1167894C; EP0899505A3; EP0899505A2; JPH11132401A; DE69829250D1; CA2240919C; CN1210220A; EP0899505B1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiert der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Kraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Es ist ein kombiniertes Kraftwerk bekannt, bei dem eine Gasturbine (Gasgenerator), ein Abgaskessel (Kessel zur Ausnützung von Abwärme) und eine Dampfturbine miteinander zusammen geschaltet sind und als Wärmekraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt werden.
6 zeigt ein Beispiel eines allgemein bekannten kombinierten Kraftwerks vom Typ mit mehreren Wellen und Ab- bzw. Restwärmenutzung. Dieses Kraftwerk umfasst eine Gasturbine 601, einen Abgaskessel 602, eine Dampfturbine 603 und Generatoren. Obwohl drei Gasturbinen 601 und drei Abgaskessel vorgesehen sind, ist immer nur eine bzw. einer dargestellt und sind in der Figur die jeweils zweite und dritte Gasturbine und der zweite und dritte Abgaskessel fortgelassen.
Die Gasturbine 601 saugt Luft auf der Kompressor- bzw. Verdichterseite an, gibt verbrannten Brennstoff an die Expansionsseite ab und führt das Abgas in den Abgaskessel 602 ein. Diese Gasturbine 601 erzeugt elektrische Energie.
Die Konstruktion des Abgaskessels 602 umfasst drei Druckzwischenerhitzer mit einem Niederdruck-, einem Mitteldruck- und einem Hochdruck-Restwärmenutzungsabschnitt. Dieser Abgaskessel umfasst einen Niederdruck-Vorwärmer (LB ECO) 604, einen Niederdruck-Verdampfer (LP EVA) 605, einen Hoch- und einen Zwischendruck-Ekonomiser (IP ECO und HP ECO1) 606, einen Zwischendruck-Verdampfer (IP EVA) 607, einen Niederdruck-Überhitzer (LP SH) 608, einen Zwischendruck-Überhitzer (IP SP) 609, einen Hochdruck-Ekonomiser (HP ECO2) 610, einen Hochdruck-Verdampfer (HP EVA) 611, einen Hoch druck-Überhitzer (HP SH) 612 und einen Zwischenüberhitzer (IP RH) 613. Die Betriebsweise dieser Komponenten der zuvor genannten Anlage sind die gleichen wie jene der allgemein bekannten Anlage. In der dem Hochdruck-Verdampfer 611 nachfolgenden Stufe ist auch ein Apparat 614 zur Entfernung von NOx vorgesehen.
Es steht ferner BFP für eine Speisewasserpumpe für das Kesselwasser. CP steht für eine Kondenswasserpumpe und GC steht für einen großen Kondensator-Wärmetauscher.
7 zeigt die einzelnen Stufen der Restwärmenutzung in der zuvor erwähnten Anlage zur Nutzung von Abwärme. In 7 bedeuten die verwendeten Abkürzungen das gleiche wie die zuvor erläuterten Abkürzungen der entsprechenden Komponenten der zuvor beschriebenen Anlage für die Nutzug der Ab- oder Restwärme.
Der Abgaskessel 602 gewinnt Restwärme aus dem Abgas, das vom Einlass her den zuvor erwähnten eingesetzten Komponenten zugeführt wird und gibt den erzeugten Dampf an die der Dampfturbine 603 zur Erzeugung elektrischer Energie ab. Das Abgas wird letztlich über einen Schornstein ins Freie geleitet. In der Zeichnung geben die vollen Linien den Strömungsweg des Wassers und die gestrichelten Linien den Strömungsweg des Dampfes wieder.
Der Dampfturbine 603 wird Dampf nicht nur von dem als Nr. 1 dargestellten Abgaskessel 602 sondern auch von den Abgaskesseln Nr. 2 und Nr. 3 zugeleitet. Auch wird Wasser und Zusatzwasser aus dem Kondensator allen diesen Abgaskesseln durch entsprechende Leitungen zugeführt.
Es existiert ein Kraftwerk mit dem gleichen Aufbau wie er beispielhaft in 6 dargestellt ist, das eine Gasturbine der 1350°C-Klasse einsetzt. Bei einer Außentemperatur von 22°C beträgt die Gesamtleistung 670 MW und der Wirkungsgrad der Anlage auf der Generatorseite ist 48,7%.
Der Grund, weshalb der Abgaskessel 602 eine dreifache Druckzwischenerhitzung in den Erhitzungsstufen mit niedrigem, mittlerem und hohem Druck aufweist, wie er in 4 dargestellt ist, ist der, dass Abwärme in den Hochdruck-Erwärmungsabschnitten (HP ECO, HP EVA, HP SH) nicht nur bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden kann.
Idealerweise sollte vornehmlich eine Hochdruck-Restwärmenutzung erfolgen. In diesem Fall muss jedoch die Temperatur des Abgases erhöht werden. Aus diesem Grunde wurde ein Verfahren ausprobiert, bei dem Gas aus verflüssigtem Erdgas in den Abgaskessel eingespeist und verbrannt wird. Dieses Verfahren erwies sich jedoch deshalb als unpraktisch, weil es schwierig ist, eine unvollständige Verbrennung und andere Verbrennungsbedingungen allein durch Regelung zufriedenstellend zu beherrschen, aber auch aus anderen Gründen. So ist z.B. das Material der Rohrleitungen darnach gewählt, das die angenommenen Temperaturen beherrscht werden.
In GB 2 277 965 A ist eine Dampfturbinenanlage beschrieben, die eine Dampfturbine, welche einen elektrischen Generator antreibt, einen Dampferzeuger zur Restwärmenutzung und eine Gasturbine, die einen weiteren elektrischen Dampferzeuger antreibt, umfasst. Der Dampferzeuger erzeugt aus Wasser Dampf unter Einsatz von Wärmetauscherschlangen eines mit Kesselwasser gespeisten Wassererhitzers, eines Niederdruck-Verdampfers, eines Ekonomisers, eines Hochdruck-Verdampfers, eines Zwischenerhitzers und eines Übererhitzers. Die Dampfturbine hat eine Hochdruckstufe, eine Zwischendruckstufe und eine Niederdruckstufe. Der Überhitzer speist Hochdruckdampf in die erste Stufe (Zylinder), der Zwischenerhitzer speist Zwischendruckdampf in die zweite Stufe (Zylinder) ein, die den Abdampf mit niedrigem Druck an eine dritte Stufe (Zylinder) der Turbinen abgibt. Wenn die aus der Gasturbine austretenden Gase den Überhitzer passieren und ihre Wärme in diesem abgeben, kühlen sie sich dabei ab. Um den Abgasen weitere Wärme zuzuführen, damit sichergestellt wird, dass die Abgase ausreichend Wärme an den Zwischenerhitzer abgeben können und so gewährleistet wird, dass der abgegebene Zwischendruckdampf auch den gewünschten Druck und die gewünschte Temperatur hat, kann wenigstens ein Brenner, der mit fluidem Brennstoff beschickt wird, zwischen dem Überhitzer und dem Zwischenerhitzer vorgesehen sein. Bei Bedarf kann ein weiterer Gasbrenner zwischen dem Zwischenerhitzer und dem Verdampfer eingesetzt werden und/oder kann ein weiterer Gasbrenner zwischen der Gasturbine und dem Überhitzer angeordnet werden. Auf diese Weise ist das Problem gelöst, dass der Brennstoff wegen der niedrigen Temperatur des Abgases der Gasturbine (unter 600°C) nicht vollständig verbrennt.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 317 110 A2 ist die gemeinsame Erzeugung von Strom und Wärme unter geringem NOx Ausstoß bekannt, bei der elektrische Energie mit Hilfe einer Gasturbine gewonnen wird und das abströmende Gas zusammen mit ausreichend Zusatzbrennstoff zur Erzeugung eines an Brennstoff reichen Brennstoff-Luft-Gemischs gemischt und entweder verbrannt, z.B. in einem Nachbrenner, oder in einer reduzierenden Atmosphäre katalytisch behandelt und dann in einen Kessel zur Erzeugung von Dampf eingespeist wird. Dem aus dem Kessel austretenden Gas wird Luft zugesetzt, um eine magere Brennstoff-Luft-Mischung zu erzeugen. Diese Mischung wird über einen oxidierenden Katalysator geleitet, von dem der sich ergebende Gasstrom dann zur weitgehenden Nutzung des verbleibenden Wärmeinhalts durch einen Ekonomiser oder einen Niederdruck-Abwärmekessel strömt. Anschließend wird das Gas, das nun die Vorgaben für die NOx Emission erfüllt, in das Freie abgegeben. In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung wird wenigstens ein Teil des schließlich austretenden Abgases, d.h. des Gases aus dem Ekonomiser oder des Niederdruck-Abwärmekessels, im Kreislauf zu der Brenneinrichtung, die Gas an die Turbine abgibt, geführt. Durch diese Maßnahmen wird der Gehalt an NOx in den Emissionen gesenkt, ohne dass dadurch der Betrieb der Turbine und der Brennstoffnutzung der Anlage nachteilig beeinflusst wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist folglich ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein kombiniertes Kraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie zu schaffen, bei dem der Wirkungsgrad der Energieerzeugung durch Erhöhung der Temperatur des Abgases ohne Verbrennung von in einem Abgaskessel zugeführtem Brennstoff erhöht wird.
Um diese Aufgabe zu lösen, ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein kombiniertes Kraftwerk, bei dem elektrische Energie mittels einer Energieerzeugungs-Gasturbine erzeugt wird, Abgas aus der Energieerzeugungs-Gasturbine an einen Abgaskessel abgegeben wird und mittels des Dampfes, der durch die im Abgaskessel genutzte Wärme erzeugt wurde, eine Energieerzeugungs-Dampfturbine zur Erzeugung von elektrischer Energie angetrieben wird. Die Verbesserung besteht darin, dass der Abgaskessel aus einer Abwärme-Hochdruck-Dampferzeugungsvorrichtung besteht, in der dem Abgaskessel Brennstoff zugeführt wird und der zugeführte Brennstoff einer katalytischen Reaktion in einem Abschnitt zur katalytischen Verbrennung unterworfen wird, um die Temperatur des Abgases zu erhöhen, wodurch der Wirkungsgrad der Energieerzeugung verbessert wird.
Der Abschnitt zur katalytischen Verbrennung kann in der vorgelagerten Stufe entweder eines Zwischenerhitzers oder eines Überhitzers oder von beiden vorgesehen sein. Ferner kann der Abschnitt zur katalytischen Verbrennung in einer vorhergelagerten Stufe entweder mit einem Zwischenerhitzer, einem Nach-Zwischenerhitzer oder einem Überhitzer ausgerüstet sein.
In dem Abschnitt zur katalytischen Verbrennung kann ein eingesetzter Katalysator ein Katalysator sein, der ein Übergangsmetall oder ein Oxid von diesem enthält. Jeder der Abschnitte zur katalytischen Verbrennung kann so ausgebildet sein, dass Stickoxid NOx entfernt wird. Bei jeder der zuvor genannten bevorzugten Ausführungsformen kann der Abgaskessel mit einem Temperaturfühler ausgerüstet sein, kann, einer Einrichtung zur Versorgung mit verflüssigtem Erdgas mit einem Durchflussmengenregler und einem Durchflussregelventil vorgesehen sein und kann das Durchflussregelventil durch den Durchflussmengenregler gesteuert werden, um die zugeführte Menge an verflüssigtem Erdgas zu regeln, so dass die Temperatur des Abgases in einem geeigneten Bereich gehalten wird.
Durch die vorliegende Erfindung ist somit ein kombiniertes Kraftwerk zur Verfügung gestellt worden, das den Wirkungsgrad der Energiegewinnung durch Erhöhung der Temperatur des Abgases verbessert, ohne dass eine Verbrennung aufgrund einer Brennstoffzufuhr in einem Abgaskessel erfolgt.
In dem kombinierten Kraftwerk gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein automatischer Abgasverbrennungskatalysator eingesetzt werden, dessen Wirksamkeit bereits in der Praxis wie oben beschrieben, erwiesen ist. Von einem solchen Katalysator wird erwartet, dass er bereits bei kleinen Mengen eine ausreichende Wirkung erzielt, so dass hierfür kein zu großer Apparat erforderlich ist.
Auch unverbrannte Verbrennungsprodukte des verflüssigten Erdgases in dem Abgas der Turbine können vollständig verbrannt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann ferner die Regelung der Temperatur des Abgases auf vergleichsweise einfache Weise durch Regelung der in den Abgaskessel eingeführten Menge an Flüssiggas erfolgen. Bei der Auslegung der Rohrleitungen, in denen der Dampf strömt, ist es daher nicht erforderlich, eine besonders hohe Materialqualität oder eine große Dicke der Wände vorzusehen.
Ferner gilt, dass wenn die Beseitigung von NOx dem Abschnitt für die katalytische Verbrennung zugewiesen wird, verflüssigtes Erdgas verbrannt und ebenfalls im Abschnitt für die ka talytische Verbrennung NOx mit hohem Wirkungsgrad abgeschieden werden kann, der dann auch als Abschnitt für die NOx Beseitigung eingesetzt wird. Folglich hat diese Ausbildungsform gegenüber der Einspritzung von Ammoniak den Vorteil, dass eine Versorgungsanlage für Hochdruckammoniak (Tanks und dergleichen) nicht erforderlich ist, dass Leckverluste an Ammoniak nicht berücksichtigt werden müssen und lediglich eine Anlage für verflüssigtes Erdgas vorgesehen werden muss.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht zur Illustration einer Ausführungsform eines kombinierten Kraftwerkes gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 zeigt ein Diagramm zur Darstellung des Temperaturverlaufs in einem Abgaskessel gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform,
3 zeigt ein Diagramm, das den thermodynamischen Verlauf der Nutzung der Restwärme bei der Ausführungsform nach 1 wiedergibt,
4 ein Schaltbild, das die Berechnung des Wirkungsgrads der Anlage für die am effektivsten arbeitende Anlage der konventionell betriebenen kombinierten Kraftwerke darstellt,
5 zeigt eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung des Konzepts zur Berechnung des Wirkungsgrades der Anlage für eine kombinierte Kraftwerksanlage gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung,
6 zeigt schematisch ein Beispiel eines kombinierten Kraftwerks, wie es im Stand der Technik bekannt ist, und
7 zeigt ein Diagramm des thermodynamischen Verlaufs der Nutzung von Restwärme in dem bekannten kombinierten Kraftwerk, wie es in 6 dargestellt ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Ausführungsform Nr. 1
1 zeigt eine Ausführungsform eines kombinierten Kraftwerks gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform bezieht sich auf ein kombiniertes Abwärmekraftwerk mit mehreren Wellen (Strängen), bei dem eine Gasturbine (Gasgenerator) 1, ein Abgaskessel 2 (Kessel für die weitere Nutzung von Abwärme) und eine Dampfturbine 3 miteinander zusammen geschaltet sind. Auch wenn in der Figur nur eine Gasturbine 1 und nur ein Abgaskessel 2 dargestellt sind, können mehrere solcher Anlagenkomponenten parallel zueinander ebenso wie bei der zuvor beschriebenen bekannten Anlage vorgesehen sein.
Die Gasturbine 1 saugt Luft in die Kompressionsseite (den Verdichter) 4 an, verbrennt Brennstoff (verflüssigtes Erdgas) in einer Brennkammer 6 und gibt sie an die Expansionsseite 5 ab und leitet das Abgas einem Abgaskessel 2 zu. Die Drehung dieser Gasturbine 1 erzeugt elektrische Energie unter Verwendung eines Generators 7.
Das Dampfsystem des Abgaskessels 2 ist vom Typ des Hochdruck-Erhitzers. In diesem Abgaskessel 2 strömt Speisewasser durch einen Hochdruck-Ekonomiser (HP ECO) 8, einen Hochdruck-Verdampfer (HP EVA) 9 und einen Hochdruck-Überhitzer (HP SH) 10, um die Abwärme zu nutzen. Die Wirkungsweisen dieser Apparate der zuvor beschriebenen Anlage sind die gleichen wie die der allgemein bekannten Anlage.
Der Dampf aus diesem Hochdruck-Überhitzer 10 wird an die Hochdruckstufe (HP) 11 der Dampfturbine 3 abgegeben, zu einem Zwischenerhitzer (RH) 12 zurückgeleitet und dann an die Mitteldruckstufe (IP) 13 der Dampfturbine abgegeben. Danach wird der Dampf von der Mitteldruckstufe zur Niederdruckstufe (LP) 14 geleitet, on einem Kondensator 15 zu Wasser kondensiert und in den Abgaskessel 2 mit Hilfe einer Pumpe 16 als Speisewasser wieder eingeleitet. Wenn dies auch nicht dargestellt ist, wird Zusatzwasser zum Ausgleich von Verlusten auf geeignete Weise getrennt zugesetzt. Durch die zuvor erläuterte Strömung des Dampfs wird die Dampfturbine 3 in Drehung versetzt, so dass elektrische Energie mit Hilfe eines Generators 17 erzeugt wird. Das aus dem Abgaskessel 2 austretende Gas strömt schließlich durch einen Schornstein 21 ins Freie ab.
Bei dieser Ausführungsform umfasst der Abgaskessel 2 Abschnitte 18 und 19 für eine katalytische Verbrennung, die die charakteristischen Bestandteile der vorliegenden Erfindung bilden, und eine Zuleitung 20 für Brennstoff. Die Abschnitte 18 und 20 für die katalytische Verbrennung befinden sich in einer vorgelagerten Stufe des Zwischenerhitzers 12 und des Hochdrucküberhitzers 10, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. In den vorgelagerten Stufen der Abschnitte 18 und 19 für die katalytische Verbrennung ist ein Brennstoffeinspritzsystem für die Zufuhr von Brennstoff aus der Zufuhrleitung 20 für Brennstoff (verflüssigtes Erdgas) vorgesehen.
Als Katalysator in den Abschnitten 18 und 19 für die katalytische Verbrennung ist konkret ein Katalysator vorgesehen, der Übergangsmetalle oder, vorzugsweise, deren Oxide enthält, ein Katalysator, der ein Metall der Elemente der Eisengruppe und/oder ein Element der Platingruppe oder deren Oxide, die hier genannt werden können, aufweist. Beispielsweise lassen sich die folgenden Katalysatoren einsetzen.

(1) Ein Katalysator, bei dem ein hitzebeständiges Grundmaterial wie Cordierit mit einem Pulver beschichtet ist, bei dem wenigstens eine Komponente aus Platin, Palladium, Rhodium als aktive Komponente auf einem Träger vorhanden ist, der wenigstens einen Vertreter des Oxids ausgewählt aus den Oxiden der Gruppe bestehend aus Aluminium, Silizium, Titan und Zirkon enthält.
(2) Ein Katalysator, bei dem wenigstens ein Vertreter eines Oxids ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Oxid eines Erdalkalielements und einem Oxid eines Elements der Seltenen Erden dem zuvor genannten Katalysator als ein Ko-Katalysator zugemischt ist.
(3) Ein Katalysator, der wenigstens einen Vertreter ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metal wie Kupfer, Vanadium, Chrom, Eisen und Nickel und den Oxiden dieser Metalle enthält.

Die Menge des Katalysators, die in den Abschnitten 18 und 19 für die katalytische Verbrennung eingesetzt wird, sollte für wenigstens die angenommene Gasströmungsrate und die vorgesehene Abgastemperatur ausreichen.
Bei dem kombinierten Kraftwerk gemäß dieser Ausführungsform, die mit den Abschnitten 18 und 19 für die katalytische Verbrennung ausgerüstet ist, wird es dem Gas des verflüssigten Erdgases ermöglicht, durch die katalytische Reaktion in den Abschnitten 18 und 19 für die katalytische Verbrennung zu reagieren, damit die Temperatur des Abgases erhöht wird. Aus diesem Grunde lässt sich Abwärme wirksam allein durch die Hochdruckabwärmeverwendung nutzen.
Die durch die katalytische Reaktion erzeugte Verbrennung ist nicht eine derartige Verbrennungsreaktion, bei der eine offene Flamme erzeugt wird, also gleicht nicht einer Verbrennungsreaktion wie sie durch übliche Zündung entsteht. Daher ist die Regelung vergleichsweise einfach. Wie sich aus 1 ergibt, sind Temperaturfühler 22, 23, 24 und 25 an geeigneten Stellen vorgesehen und Durchflussregelventile 28 und 29 werden auf geeignete Weise durch Durchflussmengenregler 26 und 27 zur Regelung der Zufuhr an verflüssigten Erdgas geregelt, wodurch die Temperatur in einem geeigneten Bereich gehalten ist.
2 zeigt den Verlauf der Gastemperatur. Die Gastemperatur von 585°C am Einlass des Gaskessels steigt auf 650°C an, nachdem das Gas durch den Abschnitt 18 für die katalytische Verbrennung durchströmt hat, fällt dann auf 550°C nachdem das Gas durch den Zwischenüberhitzer 12 geströmt ist, und steigt danach wieder auf 650°C an, wenn das Gas durch den Abschnitt 19 für die katalytische Verbrennung hindurch strömt.
3 zeigt den thermodynamischen Verlauf der Abwärmenutzung gemäß dieser Ausführungsform. In 3 werden die gleichen Abkürzungen für die zuvor erläuterten Apparate für die Abwärmenutzung verwendet. Durch Erhöhung der Temperatur des Abgases wird der thermische Wirkungsgrad des Abgaskessels 2 erhöht. Bei dem hier vorliegenden Kessel wird die Nutzung der Abwärme wie im Hochdruck-Ekonomiser (HP ECO), dem Hochdruck-Verdampfer (HP EVA) und dem Hochdruck-Überhitzer (HP SH), wie sie durch die dicken durchgezogenen Linien dargestellt sind, und im Zwischenüberhitzer (RH), der durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, durchgeführt. Wie man 3 entnimmt, kann Abwärme durch das Hochdruckdampfsystem nur im Bereich zwischen der Hochtemperaturzone und der Niedertemperaturzone des Abgases wieder gewonnen werden.
Ausführungsform Nr. 2
Als nächstes wird eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 erläutert.
Diese Ausführungsform hat den gleichen Aufbau wie die oben anhand von 1 beschriebene Ausführungsform mit der Ausnahme, dass die zuvor erwähnten Abschnitte 18 und 19 für die katalytische Verbrennung auch als Abschnitte zur Entfernung von NOx dienen. Mit anderen Worten, hat bei dieser Ausführungsform der Katalysator nicht nur die Funktion eines Verbrennungskatalysators sondern auch die Funktion eines Katalysators zur Verminderung der NOx-Emission.
Als ein Katalysator der beide Funktionen, nämlich die eines Verbrennungskatalysators und die eines Katalysators zur NOx-Verminderung hat, lassen sich verschiedene Katalysatoren einsetzen. Katalysatoren lassen sich nennen, bei denen ein aktives Material wie Ga, Pd, Cu und Co auf einem Träger wie ZSM-5 Zeolith, Mordenit und Al₂O₃ vorgesehen ist.
Zu diesen Katalysatoren zählen bevorzugt Co-Beta, Co-Mor, Co-ZSM-5 und Co/Al₂O₃, die in Tabelle 1 aufgeführt und in der Arbeit von Takeschi Tabata, Takatoshi Nakahira, und Hirofumi Ohtsuka, NOx Selecting Reduction Katalyst for Natural Gas Combustion Exhaust Gas Purification, Catalysts & Catalysis (herausgegeben von Catalysis Society of Japan), Vol. 39, Nr. 3, 1997 beschrieben worden sind.
Ideal ist insbesondere der Co-Beta Katalysator, der einen Vertreter des Co-ZSM-5 Katalysators darstellt. Dieser Katalysator zersetzt bei 500°C die LNG Komponente zu 100% und zersetzt gleichzeitig NOx Komponenten mit hoher Ausbeute. Dieser Katalysator hat darüber hinaus eine verlängerte Lebensdauer.
Fernerhin lassen sich Pt/Al₂O₃, Rh/Al₂O₃, Ag/Al₂O₃, Co/Al₂O₃, AuMn/Al₂O₃, Pt-ZSM-S, Cu-ZSM-5, Ir/In-ZSM-5 und Mn₂O₃/Ce-ZSM-5, die in Tabelle 1 aufgeführt sind, verwenden, die in der Arbeit von Akira Obuchi, Isamu Kaneko, Junko Ohi, Akihiko Ohi, Atushi Ogata, Satoshi Kushiyama und Koichi Mizuno, Evaluation of NOx Selecting Reduction Catalyst Using Organic Compound with Diesel Exhaust Gas Actual Scale, Catalysts & Catalysis (issued by Catalysis Society of Japan) Vol. 38, Nr. 2, 1996 aufgeführt sind.
In dem kombinierten Kraftwerk dieser Ausführungsform beträgt die Konzentration der NOx Komponente üblicherweise 30 bis 50 ppm (O₂ 16% Umwandlung) am Einlass des Gaskessels. Diese Konzentration muss an der Auslassseite des Gaskessels auf einem Wert von 5 ppm oder darunter liegen. Bei dem kombinierten Kraftwerk wird eine Konzentration von etwa 2000 ppm (O₂ 16% Umwandlung) zugelassen, um die Temperatur des Abgases durch die katalytische Verbrennung zu erhöhen. Daher werden von dieser Konzentration 50 ppm (O₂ 16% Umwandlung) im äußersten Fall von der NOx Abscheidung verbraucht. Aus diesem Grunde kann der Abschnitt für die katalytische Verbrennung ohne weiteres auch die Aufgabe der NOx Beseitigung haben.
Wenn verflüssigtes Erdgas (LNG) zur Beseitigung von NOx eingesetzt wird, ist Propan am wirksamsten. Aus diesem Grunde ist verflüssigtes Standard-Erdgas aus Indonesien, Malaisia und Australien, die Propan von etwa 1/40 (Molarverhältnis) enthalten, zu bevorzugen. Verflüssigtes Erdgas mit einem geringeren Anteil an Propan kann Propan zugesetzt werden, so dass das verflüssigte Erdgas Propan im Molarverhältnis von 1/40 aufweist. Ferner kann auch lediglich Propan eingesetzt werden.
Bei dieser Ausführungsform kann in den Abschnitten 18 und 19 für die katalytische Verbrennung verflüssigtes Erdgas verbrannt werden und kann darüber hinaus NOx wirksam entfernt werden. Diese Ausführungsform hat Vorteile gegenüber der Ausführungsform, bei der Ammoniak eingespritzt wird, weil eine Hochdruck-Anlage (Tanks usw.) für die Versorgung mit Ammoniak nicht erforderlich ist, Leckverluste von Ammoniak nicht zu berücksichtigen sind und nur eine Anlage für verflüssigtes Erdgas erforderlich ist.
Das kombinierte Kraftwerk gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und es lassen sich Abwandlungen im Bereich der technischen Konzeption der vorliegenden Erfindung verwirklichen.
Der Abschnitt 18, 19 für die katalytische Verbrennung (für die NOx Beseitigung) kann an der vorgelagerten Stufe entweder des Zwischenüberhitzers oder des Überhitzers vorgesehen sein.
Auch bei dem Abgaskessel mit einem Nach-Zwischenüberhitzer kann der Abschnitt für die katalytische Verbrennung (Abschnitt für die NOx Beseitigung) an der vorgelagerten Stufe wenigstens des Zwischenüberhitzers, des Nach-Zwischenüberhitzers oder des Überhitzers vorgesehen sein. In dem Fall, in dem mehrere Abschnitte für die katalytische Verbrennung vorgesehen sind, kann wenigstens ein Abschnitt für die katalytische Verbrennung auch für die NOx Beseitigung ausgebildet sein, wenn auch alle Abschnitte für die katalytische Verbrennung bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform Nr. 2 zur NOx Beseitigung ausgelegt sind. Bei dieser oben beschriebenen Ausführungsform Nr. 2 wird ein Verbrennungskatalysator eingesetzt, der die Fähigkeit zur NOx Beseitigung hat. Jedoch werden sowohl ein Verbrennungskatalysator als auch ein Katalysator für die Beseitigung von NOx eingesetzt, um dem Abschnitt für die katalytische Verbrennung die Befähigung zur Beseitigung von NOx zu verleihen. Es kann ferner die Eigenschaft zur NOx Beseitigung dem Abschnitt für die katalytische Verbrennung dadurch gegeben werden, dass ein doppelschichtiger Abschnitt für die katalytische Verbrennung bestehend aus einer Schicht für die katalytische Verbrennung und einer Schicht für die katalytische Beseitigung von NOx vorgesehen wird.
Arbeitsbeispiel
Arbeitsbeispiel Nr. 1
Es wurden der Anlagenwirkungsgrad für das kombinierte Kraftwerk der zuvor beschriebenen Ausführungsform Nr. 1 und der Anlagenwirkungsgrad eines bekannten thermischen Kraftwerks wurden berechnet.
Die 4 und 5 sind schematische Darstellungen zur Verdeutlichung der Berechnungen.
4 bezieht sich auf ein kombiniertes Kraftwerk, das sich im Betrieb befindet. Verflüssigtes Gas, LNG, wird als Rohmaterial entsprechend einer Leistung von 658.9 MW in die Gasturbine 601 eingegeben, in der 226 MW elektrische Energie erzeugt werden und Abgas von 585°C entsprechend 432.9 MW abgegeben wird. Diese Gasturbine 601 verwendet eine Gasturbine der 1500°C-Klasse, die einen höheren Wirkungsgrad als die zuvor erwähnte bekannte Gasturbine der 1350°C-Klasse hat.
Das abströmende Gas wird dem zuvor beschriebenen bekannten Abgaskessel 602 mit dreifacher Druckzwischenerhitzung zugeleitet und nimmt Wärme entsprechend 306,4 MW durch Abwärmenutzung auf. Diese Wärme erzeugt mit der Dampfturbine 603 eine elektrische Leistung von 103,5 MW. Von der aufgenommenen Energie gehen Energie entsprechend 200,8 MW im Kondensator verloren und werden 2,1 MW durch mechanische Verluste ver braucht. Abgas von 100°C wird aus dem Abgaskessel 602 abgegeben und außerdem wird Energie entsprechend 126,5 MW abgegeben.
Der Wirkungsgrad des bekannten thermischen Kraftwerks errechnet sich wie folgt: η = (226 + 103.5)/658.9 × 100 = 50,1%
5 betrifft ein kombiniertes Kraftwerk gemäß der zuvor beschriebenen Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist. Verflüssigtes Erdgas als Rohmaterial entsprechend 658.9 MW wird in die Gasturbine 1 eingegeben, mit der 226 MW elektrische Energie erzeugt werden und aus der ein Abgas mit 585°C entsprechend 432.9 MW abgegeben wird. Diese Gasturbine 1 verwendet eine Turbine der 1500°C-Klasse.
Das Abgas wird dem Abgaskessel 2 der Ausführungsform zugeführt, die in 1 dargestellt ist. Ihm wird Gas aus verflüssigtem Erdgas entsprechend 81,7 MW zugeführt und nimmt Wärme entsprechend 379,9 MW durch die Nutzung der Abwärme auf. Diese Wärmeenergie erzeugt mit Hilfe der Dampfturbine 3 169,4 MW an elektrischer Energie. Von der aufgenommenen Energie wird Energie in einer Menge von 207,1 MW durch den Kondensator abgeführt und gehen 3,4 MW durch mechanische Verluste verloren. Abgas wird aus dem Abgaskessel 2 ausgeleitet und ferner wird Energie entsprechend 134,7 MW abgegeben.
Der Wirkungsgrad des kombinierten Kraftwerks gemäß der vorliegenden Erfindung errechnet sich wie folgt: η = (226 + 169.4)/(658.9 + 81.7) × 100 = 53,39%
Folglich wird von dem kombinierten Kraftwerk der zuvor beschriebenen Ausführungsform im Vergleich zu dem bekannten thermischen Kraftwerk eine Zunahme des Wirkungsgrades von 6,4% erwartet.
Arbeitsbeispiel Nr. 2
Versuch mit der katalytischen Verbrennung
Ein Versuch mit der katalytischen Verbrennung wurde zum Zwecke der Anwendung in durch eine Gasturbine angetriebenen Fahrzeugen angestellt, die Methan als natürliche Gaskomponente verwenden. Es wurde ein Katalysator eingesetzt, bei dem ein gegen Hitze beständiges Grundmaterial aus Cordierit mit einem Pulver beschichtet ist, bei dem Platin als eine aktive Komponente auf einem Aluminiumträger aufweist. Der Test wurde unter Bedingungen durchgeführt, bei denen die Konzentration des Methans ab Gaseinlass 1,85% beträgt, die GHSV (stündliche Raumgeschwindigkeit des Gases) 2 × 10⁴ bis 6 × 10⁴ pro Stunde beträgt und die Versuchstemperatur 350 bis 450°C ist. Die Testergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
Tabelle 1 Versuchsergebnisse eine Methan-Verbrennung
Den obigen Ergebnissen lässt sich entnehmen, dass Methan zu fast 100% im Abschnitt für die katalytische Verbrennung zersetzt wird. Daher ist selbst dann, wenn Methan (verflüssigtes Erdgas) als Brennstoff eingesetzt wird, keine Möglichkeit gegeben, dass unverbrannte Brennstoffteile zurückbleiben. Selbst wenn unverbrannte Bestandteile im Abgas verbleiben sollten, werden sie im Abschnitt für die katalytische Verbrennung vollständig verbrannt. Auch wenn die katalytische Reaktion im Bereich von 550 bis 650°C in dem Abschnitt für die katalytische Verbrennung gemäß dieser Anwendung erfolgen soll, zeigen die Versuchsergebnisse in Tabelle 1 mit zunehmender Temperatur eine Tendenz zur vollständigen Verbrennung, so dass bessere Werte der Leistung zu erwarten sind.

Claims

Kombiniertes Kraftwerk, bei dem elektrische Energie mittels einer Energieerzeugungs-Gasturbine (1) erzeugt wird, Abgas aus der Energieerzeugungs-Gasturbine an einen Abgaskessel (2) abgegeben und eine Energieerzeugungs-Dampfturbine (3) mittels des Dampfes, der durch die vom Abgaskessel (2) genutzte Abwärme erzeugt wurde, zur Erzeugung von elektrischer Energie angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskessel (2) aus einer Hochdruck-Abwärme Dampferzeugungsvorrichtung besteht, in der dem Abgaskessel (2) Brennstoff zugeführt und der zugeführte Brennstoff einer katalytischen Reaktion in einem Abschnitt (18, 19) zur katalytischen Verbrennung unterworfen wird, um die Temperatur des Abgases zu erhöhen, wodurch der Wirkungsgrad der Energieerzeugung verbessert ist.
Kombiniertes Kraftwerk nach Anspruch 1, bei dem der Abgaskessel mit einem Temperaturfühler (22, 23, 24, 25) ausgerüstet ist, eine Einrichtung zur Versorgung mit verFlüssigtem Erdgas mit einem Durchflussmengenregler (26, 27) und einem Durchflussregelventil (28, 29) ausgestattet ist und das Durchflussregelventil durch den Durchflussmengenregler (26, 27) gesteuert wird, um die zugeführte Menge an verflüssigtem Erdgas zu regeln, wodurch die Temperatur des Abgases im geeigneten Bereich gehalten ist.
Kombiniertes Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Abschnitt (18, 19) für die katalytische Verbrennung in der vorgelagerten Stufe entweder von einem Zwischenüberhitzer (12) oder einem Überhitzer (10) oder von beiden vorgesehen ist.
Kombiniertes Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Abschnitt (18, 19) für die katalytische Verbrennung in einer vorgelagerten Stufe wenigstens von einem Zwischenüberhitzer (12), einem Nach-Zwischenüberhitzer oder einem Überhitzer (10) vorgesehen ist.
Kombiniertes Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein Katalysator, der in dem Abschnitt (18, 19) zur katalytischen Verbrennung eingesetzt wird, ein Katalysator ist, der ein Übergangsmetall oder ein Oxid von diesem enthält.
Kombiniertes Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem wenigstens einer der Abschnitte (18, 19) zur katalytischen Verbrennung geeignet ist, Stickoxid NO_x zu entfernen.