EP1913238A2 - Verfahren zur steigerung des wirkungsgrads eines kombinierten gas- und dampfkraftwerks mit integrierter brennstoffvergasung - Google Patents

Verfahren zur steigerung des wirkungsgrads eines kombinierten gas- und dampfkraftwerks mit integrierter brennstoffvergasung

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EP1913238A2
EP1913238A2 EP06792578A EP06792578A EP1913238A2 EP 1913238 A2 EP1913238 A2 EP 1913238A2 EP 06792578 A EP06792578 A EP 06792578A EP 06792578 A EP06792578 A EP 06792578A EP 1913238 A2 EP1913238 A2 EP 1913238A2
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EP
European Patent Office
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air
nitrogen
gas
gas turbine
air separation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06792578A
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English (en)
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Inventor
Werner GÜNSTER
Erik Wolf
Gerhard Zimmermann
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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    • F25J2260/44—Integration in an installation using nitrogen, e.g. as utility gas, for inerting or purging purposes in IGCC, POX, GTL, PSA, float glass forming, incineration processes, for heat recovery or for enhanced oil recovery using nitrogen for cooling purposes
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    • Y02E20/18—Integrated gasification combined cycle [IGCC], e.g. combined with carbon capture and storage [CCS]

Definitions

  • the invention relates to a method for increasing the efficiency of a combined gas and steam power plant or
  • turbine power plant with integrated fuel gasification comprising a gas turbine compressor and a
  • Air separation plant having a predetermined operating pressure.
  • the so-called IGCC power plants in “IGCC” is an abbreviation for "Integrated Gasification Combined Cycle"
  • the combined cycle power plant has an integrated fuel gasification, by means of which a liquid or solid Fuel - such as hard coal - is converted in a gasifier into a synthesis gas, which is then burned in a gas turbine. Before the combustion is carried out usually a purification of the synthesis gas. Overall, in this way pollutants are separated before combustion or not even arise.
  • IGCC power plants have air separation plants in which the Ambient air is generated by fractional distillation in addition to the required oxygen, especially nitrogen.
  • the synthesis gas must be cooled before further treatment. This creates a steam that contributes to power generation in the steam turbine of the IGCC power plant.
  • filters After the gas has cooled down, filters initially retain ash particles, and carbon dioxide can then be removed if necessary.
  • Other pollutants such as sulfur compounds or heavy metals are also bound by chemical and physical processes. This realizes the necessary fuel purity for the operation of the gas turbines and low emissions of the IGCC power plant.
  • the synthesis gas is in front of the combustion chamber of the gas turbine with nitrogen from the air separation plant and / or with
  • the steam streams from the raw gas and exhaust gas cooling are combined and fed together to the steam turbine. After expansion in the steam turbine, the steam is condensed via a condenser and the condensate is fed back into the water or steam cycle via the feed water tank.
  • the gas and steam turbines (of a combined cycle power plant or an IGCC power plant) are coupled to a generator in which the rotational work of the turbines is converted into electrical energy.
  • GUD power plants or IGCC power plants are constantly being further developed. This is among other things the goal pursued, the efficiency or the performance of these power plants to increase steadily.
  • the invention has for its object to provide a method for increasing the efficiency of a combined cycle power plant in the form of an IGCC power plant, with which the efficiency compared to known methods can be significantly increased again.
  • This object is achieved with the aforementioned method for increasing the efficiency of a combined gas and steam power plant with integrated fuel gasification (IGCC power plant), which has a gas turbine compressor and an air separation plant with a predetermined operating pressure, in the compressed air from the Gas turbine compressor is taken at a pressure level which is adapted to the operating pressure of the air separation plant in which the extracted air is then fed to the air separation plant, in which the air is decomposed into its individual components, in particular oxygen and nitrogen, the nitrogen produced in the air separation plant the air separation plant is removed, and at least a portion of the withdrawn amount of nitrogen is used as the cooling medium.
  • IGCC power plant integrated fuel gasification
  • compressed air in the gas turbine compressor which has a pressure level which is adapted to the operating pressure of the air separation plant, fed to the air separation plant.
  • This already compressed air does not need to be compressed as the rest of the air to adapt to the operating pressure of the air separation plant, which is conveyed via a compressor from the environment in the air separation plant or compressed in the air separation plant.
  • part or even all of the air to be supplied to the air separation plant can be removed from the gas turbine compressor. The power and efficiency loss associated with the air separation is thus significantly reduced.
  • nitrogen is produced from the air by fractional distillation in addition to the oxygen required for the gasification of the fuels.
  • the nitrogen produced in the air separation plant which has a low temperature due to the fractional distillation (cryogenic air separation) carried out in the air separation plant, according to the invention removed from the air separation plant, wherein at least a portion of the withdrawn amount of nitrogen is used as a cooling medium at the IGCC power plant to increase its efficiency.
  • a cooling medium is finally provided by means of the method according to the invention, which can be produced without significant losses for the efficiency of the IGCC power plant.
  • This so provided according to the invention cooling medium can be used to realize cooling processes that track an increase in the efficiency or the performance of the IGCC power plant.
  • the inventive method is particularly advantageous when a comparatively low operating pressure of the air separation plant and consequently also a low nitrogen discharge pressure is present, in which an energy conversion by expansion of the nitrogen is not useful.
  • the aforementioned object is inventively further with a method for increasing the efficiency of a combined gas and steam power plant with integrated
  • Fuel gasification comprising a gas turbine compressor and an air separation plant having a predetermined operating pressure is achieved in the compressed air the gas turbine compressor is taken at a pressure level which is adapted to the operating pressure of the air separation plant, the extracted air is then fed to the air separation plant, in which the air is decomposed into its individual components, in particular oxygen and nitrogen, the nitrogen produced in the air separation plant Air separation plant is removed, and at least a portion of the withdrawn amount of nitrogen is heated and after heating in another turbine of the combined gas and steam power plant with integrated
  • Fuel gasification is relaxed to increase its efficiency.
  • the resulting in the relaxation and recoverable rotation work improves the efficiency of the system.
  • this method is particularly advantageous when the operating pressure of the air separation plant and thus the nitrogen discharge pressure have a mean pressure level. Then one is
  • the nitrogen can be used as a cooling medium according to the method described above.
  • thermal energy of the extracted compressed air is transferred via a heat exchanger to the part of the amount of nitrogen produced.
  • the part of the amount of nitrogen produced as a coolant is introduced into the gas turbine compressor to compressed air in the gas turbine compressor by mixing with the part of the amount of nitrogen produced to cool.
  • the cooling of the compressed air in the gas turbine compressor according to the invention can thus significantly increase the efficiency of the IGCC power plant.
  • the part of the withdrawn amount of nitrogen used as coolant is mixed with air sucked in by the gas turbine compressor in order to cool the intake air.
  • the air to be compressed in the gas turbine compressor can already be cooled before compression by means of the cold nitrogen.
  • heat energy of the sucked-in air can be transferred via a heat exchanger to the part of the withdrawn amount of nitrogen used as coolant in a practical further development of the method according to the invention for cooling the intake air.
  • the part of the withdrawn amount of nitrogen used as a coolant can alternatively be used as an additional cooling medium for a condenser of a steam turbine of the combined gas and steam power plant with integrated fuel gasification, whereby the expansion back pressure after the last steam turbine stage is further reduced and thus a performance gain and a Improvement of the steam turbine efficiency can be achieved.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a combined
  • Fig. 2 is a schematic representation of the IGCC power plant of Figure 1, which illustrates the cooling of compressed air by means of nitrogen from an air separation plant, and
  • FIG. 3 is a schematic illustration of the IGCC power plant of FIG. 1 illustrating the increase in efficiency of the IGCC power plant by expansion of nitrogen from an air separation plant.
  • the IGCC power plant 10 shown schematically in FIG. 1 consists inter alia of a gas turbine 12 and a gas turbine compressor 14 upstream of the gas turbine 12.
  • Fuel such as hard coal, is gasified in a gasification unit 16 to produce a synthesis gas.
  • the oxygen required for the gasification is produced in an air separation plant 18 in which oxygen is produced from air by fractional distillation.
  • the air is usually taken from the environment and with
  • Gas turbine compressor and / or additional compressor introduced via a compressor 20 in the air separation unit 18 and compressed to the pressures required for the fractional distillation.
  • the synthesis gas produced in the gasification unit 16 is cooled before further treatment in a synthesis gas cooling unit 22 and then a gas cleaning unit 24th fed.
  • filters (not shown) first retain ash particles, and then, if required, carbon dioxide can also be withdrawn.
  • Other pollutants such as sulfur compounds or heavy metals are also bound by chemical and physical processes. Overall, the required for the operation of the gas turbine 12 fuel purity can be realized so.
  • the purified synthesis gas is then burned in a combustion chamber 26 and the resulting from the combustion with air
  • Working gas flows into the gas turbine 12, to which a generator (not shown) is coupled. After the working gas is expanded in the gas turbine 12, it is supplied to a heat recovery steam generator 28 to use the heat contained in the working gas for steam generation.
  • a generator not shown
  • Heat recovery steam generator 28 is integrated into a steam cycle 32, via which, inter alia, the steam generated during the cooling of the synthesis gas in the synthesis gas cooling unit 22 is supplied to the waste heat steam generator 28.
  • the steam generated by the cooling of the synthesis gas and the working gas is expanded in a steam turbine 34, which is coupled to a generator (not shown) for the provision of electrical energy.
  • the vapor is condensed via a condenser 36 and the condensate is fed via a feedwater pump 38 back into the heat recovery steam generator 28 and thus into the steam circuit 32.
  • the already compressed air needs to adapt to the operating pressure of the air separation plant 18 so not like the rest of the air via the compressor 20 from the environment in the Air separation plant is sucked and compressed in the air separation plant 18, to be compressed with concomitant reduction in efficiency or performance. It can be removed from the gas turbine compressor 14, a part or even the entire air to be supplied to the air separation unit 18 air.
  • the nitrogen produced in the air separation plant 18, which has a low temperature due to the fractional distillation carried out in the air separation plant 18, according to the invention removed from the air separation plant 18 and fed through a nitrogen compressor 42 the synthesis gas stream to suppress the formation of nitrogen oxides largely ,
  • a portion of the cold nitrogen to be supplied to the gas purification unit 24 or gas conditioning is branched between the air separation plant 18 and the gas purification unit 24 to be used as the cooling medium, with the aim of increasing the efficiency of the IGCC power plant by suitable cooling.
  • this can take place inter alia as shown schematically in FIG.
  • the amount of nitrogen provided as the cooling medium is either introduced directly into the gas turbine compressor 14 in order to cool compressed air in the gas turbine compressor 14 by mixing with the branched nitrogen.
  • the air to be compressed in the gas turbine compressor 14 may also be cooled by a heat exchanger (not shown) with which the air to be compressed is cooled against the branched-off cold nitrogen.
  • the branched nitrogen may also be mixed with the intake air to cool the intake air.
  • the air to be compressed in the gas turbine compressor 14 can be cooled already before compression by means of the cold branched nitrogen.
  • the intake air can be cooled by a heat exchanger (not shown) with which the intake air is cooled against the branched-off cold nitrogen.
  • Another possibility for increasing the efficiency of the IGCC power plant according to the invention is to use the branched cold nitrogen as an additional cooling medium for the condenser 36 of the steam turbine 34 in order to achieve a significant increase in the efficiency or performance of the capacitor 36.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the IGCC power plant 10, which illustrates the increase in efficiency of the IGCC power plant 10 by expansion of nitrogen from an air separation plant 18.
  • the branched cold nitrogen is passed through the heat exchanger 40, where it is heated against warm compressed air of the gas turbine compressor 14. After heating, the branched nitrogen is expanded in a separate expander 44 to drive a generator 46 coupled to the expander 44.
  • This process for increasing the efficiency can be used effectively when the operating pressure of the air separation plant 18 and thus the nitrogen discharge pressure have a mean pressure level. Then an energy conversion by expansion of the nitrogen in an expander 44 makes sense. After expansion, the nitrogen can be used as a cooling medium according to the above method.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung des Wirkungsgrads eines kombinierten Gas- und Dampfkraftwerks (10) mit integrierter Brennstoffvergasung, das einen Gasturbinen-Verdichter (14) und eine Luftzerlegungsanlage (18) mit einem vorgegebenen Betriebsdruck aufweist, bei dem verdichtete Luft aus dem Gasturbinen-Verdichter (14) auf einem Druckniveau entnommen wird, welches dem Betriebsdruck der Luftzerlegungsanlage (18) angepasst ist, die entnommene Luft anschließend der Luftzerlegungsanlage (18) zugeführt wird, in welcher die Luft in ihre einzelnen Bestandteile, insbesondere in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt wird, der in der Luftzerlegungsanlage (18) erzeugte Stickstoff aus der Luftzerlegungsanlage (18) entnommen wird, und zumindest ein Teil der entnommenen Stickstoffmenge als Kühlmedium am Gas- und Dampfkraftwerk verwendet wird, um dessen Wirkungsgrad zu steigern .

Description

Beschreibung
Verfahren zur Steigerung des Wirkungsgrads eines kombinierten Gas- und Dampfkraftwerks mit integrierter Brennstoffvergasung
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung des Wirkungsgrads eines kombinierten Gas- und Dampfkraftwerks bzw.
-turbinenkraftwerks mit integrierter Brennstoffvergasung , das einen Gasturbinen-Verdichter und eine
Luftzerlegungsanlage mit einem vorgegebenen Betriebsdruck aufweist .
Im vergangenen Jahrzehnt wurde weltweit eine Vielzahl von Kraftwerken errichtet, denen ein kombinierter Gas- und Dampfturbinenprozess zugrunde liegt und mit denen der Schadstoffausstoß deutlich herabgesetzt werden kann. Diese Kraftwerke werden im Fachjargon als GUD-Kraftwerke bezeichnet .
Bei einer Unterform der GUD-Kraftwerke, den sogenannten IGCC- Kraftwerken (bei „IGCC" handelt es sich um eine Abkürzung für „Integrated Gasification Combined Cycle") , weist das GUD- Kraftwerk zusätzlich eine integrierte Brennstoffvergasung auf, mittels derer ein flüssiger oder fester Brennstoff - etwa Steinkohle - in einem Vergaser in ein Synthesegas umgewandelt wird, das anschließend in einer Gasturbine verbrannt wird. Vor der Verbrennung erfolgt in der Regel eine Reinigung des Synthesegases. Insgesamt betrachtet werden auf diese Weise Schadstoffe schon vor der Verbrennung abgetrennt oder entstehen erst gar nicht.
Für die Vergasung der Brennstoffe zu Synthesegas ist
Sauerstoff erforderlich. Zur Erzeugung des Sauerstoffs weisen IGCC-Kraftwerke Luftzerlegungsanlagen auf, in denen aus der Umgebungsluft durch fraktionierte Destillation neben dem benötigten Sauerstoff vor allem Stickstoff erzeugt wird. Das Synthesegas muss vor der weiteren Behandlung abgekühlt werden. Hierbei entsteht ein Dampf, der in der Dampfturbine des IGCC-Kraftwerks zur Stromerzeugung beiträgt. Nach der Abkühlung des Gases halten Filter zunächst Aschepartikel zurück, anschließend kann bei Bedarf auch Kohlendioxid entzogen werden. Andere Schadstoffe, wie Schwefelverbindungen oder Schwermetalle werden ebenfalls durch chemische und physikalische Verfahren gebunden. Dadurch werden die nötige Brennstoff-Reinheit für den Betrieb der Gasturbinen und geringe Emissionen des IGCC-Kraftwerks realisiert.
Das Synthesegas wird vor der Brennkammer der Gasturbine mit Stickstoff aus der Luftzerlegungsanlage und/oder mit
Wasserdampf vermischt, um die Stickstoffoxidbildung zu unterdrücken. Das dann aus der Verbrennung mit Luft entstehende Arbeitsgas wird in den Turbinenstufen der Gasturbine expandiert .
Nach Entspannung des Arbeitsgases in der Gasturbine und anschließender Abwärmenutzung in einem Dampferzeuger wird das Abgas an die Atmosphäre abgegeben.
Die Dampfströme aus der Rohgas- und Abgaskühlung werden kombiniert und gemeinsam der Dampfturbine zugeleitet. Nach der Entspannung in der Dampfturbine wird der Dampf über einen Kondensator kondensiert und das Kondensat über den Speisewasserbehälter zurück in den Wasser- bzw. den Dampfkreislauf geführt.
Die Gas- und die Dampfturbine (eines GUD-Kraftwerks bzw. eines IGCC-Kraftwerks) sind mit einem Generator gekoppelt, in dem die Rotationsarbeit der Turbinen in elektrische Energie gewandelt wird.
GUD-Kraftwerke bzw. IGCC-Kraftwerke werden stetig weiterentwickelt. Hierbei wird unter anderem das Ziel verfolgt, den Wirkungsgrad bzw. die Leistung dieser Kraftwerke stetig zu steigern.
Zugrundeliegende Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steigerung des Wirkungsgrads eines GUD-Kraftwerks in Form eines IGCC-Kraftwerks anzugeben, mit dem sich der Wirkungsgrad gegenüber bekannten Verfahren nochmals deutlich steigern lässt.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit dem eingangs genannten Verfahren zur Steigerung des Wirkungsgrads eines kombinierten Gas- und Dampfkraftwerks mit integrierter Brennstoffvergasung (IGCC-Kraftwerk) , das einen Gasturbinen-Verdichter und eine Luftzerlegungsanlage mit einem vorgegebenen Betriebsdruck aufweist, gelöst, bei dem verdichtete Luft aus dem Gasturbinenverdichter auf einem Druckniveau entnommen wird, welches dem Betriebsdruck der Luftzerlegungsanlage angepasst ist, bei dem die entnommene Luft anschließend der Luftzerlegungsanlage zugeführt wird, in welcher die Luft in ihre einzelnen Bestandteile, insbesondere in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt wird, der in der Luftzerlegungsanlage erzeugte Stickstoff aus der Luftzerlegungsanlage entnommen wird, und zumindest ein Teil der entnommenen Stickstoffmenge als Kühlmedium verwendet wird. Die damit eingesparte Kühlluft führt zu einer Wirkungsgradsteigerung.
Erfindungsgemäß wird im Gasturbinen-Verdichter verdichtete Luft, die ein Druckniveau aufweist, das dem Betriebsdruck der Luftzerlegungsanlage angepasst ist, der Luftzerlegungsanlage zugeführt. Diese bereits verdichtete Luft braucht zur Anpassung an den Betriebsdruck der Luftzerlegungsanlage also nicht wie die übrige Luft verdichtet zu werden, die über einen Kompressor aus der Umgebung in die Luftzerlegungsanlage gefördert bzw. in der Luftzerlegungsanlage verdichtet wird. Erfindungsgemäß kann hierbei ein Teil oder gar die gesamte der Luftzerlegungsanlage zuzuführende Luft aus dem Gasturbinen-Verdichter entnommen werden. Der mit der Luftzerlegung einhergehende Leistungs- und Wirkungsgradverlust wird somit deutlich reduziert.
In der Luftzerlegungsanlage wird aus der Luft durch fraktionierte Destillation neben dem für die Vergasung der Brennstoffe benötigte Sauerstoff vor allem Stickstoff erzeugt. Der in der Luftzerlegungsanlage erzeugte Stickstoff, der bedingt durch die in der Luftzerlegungsanlage vorgenommene fraktionierte Destillation (Kryogene Luftzerlegung) eine niedrige Temperatur aufweist, wird erfindungsgemäß aus der Luftzerlegungsanlage entnommen, wobei zumindest ein Teil der entnommenen Stickstoffmenge als Kühlmedium am IGCC-Kraftwerk verwendet wird, um dessen Wirkungsgrad zu steigern.
Insgesamt betrachtet wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens letztlich ein Kühlmedium bereitgestellt, das ohne nennenswerte Einbussen für den Wirkungsgrad des IGCC- Kraftwerks erzeugt werden kann. Dieses so erfindungsgemäß bereitgestellte Kühlmedium kann zur Realisierung von Kühlvorgängen verwendet werden, die eine Erhöhung des Wirkungsgrads bzw. der Leistung des IGCC-Kraftwerks verfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein vergleichsweise geringer Betriebsdruck der Luftzerlegungsanlage und folglich auch ein geringer Stickstoff-Abgabedruck vorliegt, bei dem eine Energieumsetzung durch Expansion des Stickstoffs nicht sinnvoll ist.
Die eingangs genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß ferner mit einem Verfahren zur Steigerung des Wirkungsgrads eines kombinierten Gas- und Dampfkraftwerks mit integrierter
Brennstoffvergasung, das einen Gasturbinen-Verdichter und eine Luftzerlegungsanlage mit einem vorgegebenen Betriebsdruck aufweist, gelöst, bei dem verdichtete Luft aus dem Gasturbinenverdichter auf einem Druckniveau entnommen wird, welches dem Betriebsdruck der Luftzerlegungsanlage angepasst ist, die entnommene Luft anschließend der Luftzerlegungsanlage zugeführt wird, in welcher die Luft in ihre einzelnen Bestandteile, insbesondere in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt wird, der in der Luftzerlegungsanlage erzeugte Stickstoff aus der Luftzerlegungsanlage entnommen wird, und zumindest ein Teil der entnommenen Stickstoffmenge erwärmt wird und nach Erwärmung in einer weiteren Turbine des kombinierten Gas- und Dampfkraftwerks mit integrierter
Brennstoffvergasung entspannt wird, um dessen Wirkungsgrad zu steigern. Hierbei verbessert die bei der Entspannung anfallende und verwertbare Rotationsarbeit den Wirkungsgrad der Anlage.
Im Unterschied zu dem oben beschriebenen ersten erfindungsgemäßen Verfahren ist dieses Verfahren insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Betriebsdruck der Luftzerlegungsanlage und damit der Stickstoff-Abgabedruck ein mittleres Druckniveau aufweisen. Dann ist eine
Energieumsetzung durch Expansion des Stickstoffs in einer weiteren Turbine, vorzugsweise in Form eines Expanders sinnvoll. Nach Entspannung kann der Stickstoff gemäß dem oben beschriebenen Verfahren als Kühlmedium verwendet werden.
Vorzugsweise wird hierbei zur Erwärmung des Teils der entnommenen Stickstoffmenge Wärmeenergie der entnommenen verdichteten Luft über einen Wärmeübertrager auf den Teil der erzeugten Stickstoffmenge übertragen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der als Kühlmittel verwendete Teil der erzeugten Stickstoffmenge in den Gasturbinen-Verdichter eingebracht, um im Gasturbinen-Verdichter verdichtete Luft durch Vermischung mit dem Teil der erzeugten Stickstoffmenge zu kühlen. Durch die so erfindungsgemäß vorgenommene Kühlung der im Gasturbinen-Verdichter verdichteten Luft kann der Wirkungsgrad des IGCC-Kraftwerks deutlich gesteigert werden.
Bei einer praktischen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Kühlung von im Gasturbinen-Verdichter verdichteter Luft Wärmeenergie der verdichteten Luft über einen Wärmeübertrager auf den als Kühlmedium verwendeten Teil der erzeugten Stickstoffmenge übertragen. So wird erfindungsgemäß im Unterschied zur obigen vorteilhaften
Weiterbildung über eine indirekte Wärmeübertragung mittels eines Wärmeübertragers eine Kühlung der im Gasturbinen- Verdichter verdichteten Luft ermöglicht, die eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrads zur Folge hat.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der als Kühlmittel verwendete Teil der entnommenen Stickstoffmenge mit vom Gasturbinen-Verdichter angesaugter Luft vermischt, um die angesaugte Luft zu kühlen. So kann erfindungsgemäß die im Gasturbinen-Verdichter zu verdichtende Luft bereits vor Verdichtung mittels des kalten Stickstoffs gekühlt werden. Alternativ zur direkten Vermischung kann bei einer praktischen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kühlung der angesaugten Luft Wärmeenergie der angesaugten Luft über einen Wärmeübertrager auf den als Kühlmittel verwendeten Teil der entnommenen Stickstoffmenge übertragen werden .
Bei einer weiteren praktischen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der als Kühlmittel verwendete Teil der entnommenen Stickstoffmenge alternativ auch als zusätzliches Kühlmedium für einen Kondensator einer Dampfturbine des kombinierten Gas- und Dampfkraftwerks mit integrierter Brennstoffvergasung verwendet werden, wodurch der Expansionsgegendruck nach der letzten Dampfturbinenstufe weiter reduziert wird und damit ein Leistungsgewinn und eine Verbesserung des Dampfturbinenwirkungsgrads erzielt werden kann .
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand schematischer Darstellungen des Aufbaus eines IGCC-Kraftwerks näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines kombinierten
Gas- und Dampfkraftwerks mit integrierter Brennstoffvergasung (IGCC-Kraftwerk) ,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des IGCC-Kraftwerks aus Fig. 1, welche die Kühlung von verdichteter Luft mittels Stickstoff aus einer Luftzerlegungsanlage veranschaulicht, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung des IGCC-Kraftwerks aus Fig. 1, welche die Steigerung des Wirkungsgrads des IGCC-Kraftwerks durch Expansion von Stickstoff aus einer Luftzerlegungsanlage veranschaulicht.
Das in Fig. 1 schematisch dargestellte IGCC-Kraftwerk 10 besteht unter anderem aus einer Gasturbine 12 und einem der Gasturbine 12 vorgeschaltetem Gasturbinen-Verdichter 14. Brennstoff, wie beispielsweise Steinkohle, wird in einer Vergasungseinheit 16 zur Erzeugung eines Synthesegases vergast. Der für die Vergasung erforderliche Sauerstoff wird in einer Luftzerlegungsanlage 18 erzeugt, in der aus Luft durch fraktionierte Destillation Sauerstoff hergestellt wird. Die Luft wird in der Regel der Umgebung entnommen und mit
Gasturbinenverdichter und/oder -Zusatzverdichter über einen Kompressor 20 in die Luftzerlegungsanlage 18 eingebracht und auf die für die fraktionierte Destillation erforderlichen Drücke komprimiert .
Das in der Vergasungseinheit 16 erzeugte Synthesegas wird vor der weiteren Behandlung in einer Synthesegas-Kühleinheit 22 abgekühlt und anschließend einer Gasreinigungs-Einheit 24 zugeführt. In der Gasreinigungs-Einheit 24 halten Filter (nicht dargestellt) zunächst Aschepartikel zurück, anschließend kann bei Bedarf auch Kohlendioxid entzogen werden. Andere Schadstoffe wie Schwefelverbindungen oder Schwermetalle werden ebenfalls durch chemische und physikalische Verfahren gebunden. Insgesamt betrachtet kann so die für den Betrieb der Gasturbine 12 erforderliche Brennstoff-Reinheit realisiert werden. Das gereinigte Synthesegas wird anschließend in einer Brennkammer 26 verbrannt und das aus der Verbrennung mit Luft entstehende
Arbeitsgas strömt in die Gasturbine 12, an die ein Generator (nicht dargestellt) gekoppelt ist. Nachdem das Arbeitsgas in der Gasturbine 12 expandiert ist wird es einem Abhitzedampferzeuger 28 zugeführt, um die im dem Arbeitsgas enthaltene Wärme zur Dampferzeugung zu nutzen. Der
Abhitzedampferzeuger 28 ist in einen Dampfkreislauf 32 eingebunden, über den unter anderem der bei der Abkühlung des Synthesegases in der Synthesegas-Kühleinheit 22 erzeugte Dampf dem Abhitzedampferzeuger 28 zugeführt wird. Der durch die Abkühlung des Synthesegases und des Arbeitsgases erzeugte Dampf wird in einer Dampfturbine 34 entspannt, die zur Bereitstellung von elektrischer Energie an einem Generator (nicht dargestellt) gekoppelt ist. Nach der Expansion in der Dampfturbine 34 wird der Dampf über einen Kondensator 36 kondensiert und das Kondensat über eine Speisewasserpumpe 38 zurück in den Abhitzedampferzeuger 28 und damit in den Dampfkreislauf 32 geführt.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, bereits im Gasturbinen- Verdichter 14 verdichtete Luft, die ein Druckniveau aufweist, das dem Betriebsdruck der Luftzerlegungsanlage 18 angepasst ist, insbesondere diesem Betriebsdruck wertmäßig entspricht, der Luftzerlegungsanlage 18 zuzuführen, wobei die verdichtete Luft vor Eintritt in die Luftzerlegungsanlage 18 vorzugsweise über einem Wärmeübertrager 40 vorgekühlt wird. Die bereits verdichtete Luft braucht zur Anpassung an den Betriebsdruck der Luftzerlegungsanlage 18 also nicht wie die übrige Luft, die über den Kompressor 20 aus der Umgebung in die Luftzerlegungsanlage gesaugt und in der Luftzerlegungsanlage 18 verdichtet wird, mit einhergehender Senkung des Wirkungsgrads bzw. der Leistung verdichtet zu werden. Es kann ein Teil oder gar die gesamte der Luftzerlegungsanlage 18 zuzuführende Luft aus dem Gasturbinen-Verdichter 14 entnommen werden. Der in der Luftzerlegungsanlage 18 erzeugte Stickstoff, der bedingt durch die in der Luftzerlegungsanlage 18 vorgenommene fraktionierte Destillation eine niedrige Temperatur aufweist, wird erfindungsgemäß aus der Luftzerlegungsanlage 18 entnommen und über einen Stickstoff- Kompressor 42 dem Synthesegasstrom zugeführt, um die Bildung von Stickoxiden weitgehend zu unterdrücken.
Erfindungsgemäß wird ein Teil des der Gasreinigungs-Einheit 24 bzw. Gaskonditionierung zuzuführenden kalten Stickstoffs zwischen der Luftzerlegungsanlage 18 und Gasreinigungs- Einheit 24 abgezweigt, um als Kühlmedium verwendet zu werden, mit dem Ziel durch geeignete Kühlung den Wirkungsgrad des IGCC-Kraftwerks zu steigern. Erfindungsgemäß kann dies unter anderem wie in Fig. 2 schematisch dargestellt erfolgen. Die als Kühlmedium vorgesehene Stickstoffmenge wird hierzu entweder direkt in den Gasturbinen-Verdichter 14 eingebracht, um im Gasturbinen-Verdichter 14 verdichtete Luft durch Vermischung mit dem abgezweigten Stickstoff zu kühlen.
Alternativ kann die im Gasturbinen-Verdichter 14 zu verdichtende Luft auch über einen Wärmetauscher (nicht dargestellt) gekühlt werden, mit dem die zu verdichtende Luft gegen den abgezweigten kalten Stickstoff gekühlt wird. Wie ebenfalls in Fig. 2 schematisch dargestellt kann der abgezweigte Stickstoff auch mit der Ansaugluft vermischt werden, um die angesaugte Luft zu kühlen. So kann erfindungsgemäß die im Gasturbinen-Verdichter 14 zu verdichtende Luft bereits vor Verdichtung mittels des kalten abgezweigten Stickstoffs gekühlt werden. Alternativ kann auch hier die Ansaugluft über einen Wärmetauscher (nicht dargestellt) gekühlt werden, mit dem die Ansaugluft gegen den abgezweigten kalten Stickstoff gekühlt wird. Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung des Wirkungsgrads des IGCC-Kraftwerks besteht erfindungsgemäß darin den abgezweigten kalten Stickstoff als zusätzliches Kühlmedium für den Kondensator 36 der Dampfturbine 34 zu verwenden, um auch über den Kondensator 36 eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrads bzw. der Leistung zu erzielen.
Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des IGCC- Kraftwerks 10, welche die Steigerung des Wirkungsgrads des IGCC-Kraftwerks 10 durch Expansion von Stickstoff aus einer Luftzerlegungsanlage 18 veranschaulicht.
Wie in Fig. 3 dargestellt, wird der abgezweigte kalte Stickstoff durch den Wärmeübertrager 40 geleitet, wo er gegen warme verdichtete Luft des Gasturbinen-Verdichters 14 erwärmt wird. Nach Erwärmung wird der abgezweigte Stickstoff in einem separaten Expander 44 expandiert, um einen an den Expander 44 gekoppelten Generator 46 anzutreiben. Dieses Verfahren zur Steigerung des Wirkungsgrads ist dann wirksam einsetzbar, wenn der Betriebsdruck der Luftzerlegungsanlage 18 und damit der Stickstoff-Abgabedruck ein mittleres Druckniveau aufweisen. Dann ist eine Energieumsetzung durch Expansion des Stickstoffs in einem Expander 44 sinnvoll. Nach Entspannung kann der Stickstoff gemäß dem obigen Verfahren als Kühlmedium verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steigerung des Wirkungsgrads eines kombinierten Gas- und Dampfkraftwerks (10) mit integrierter Brennstoffvergasung, das einen Gasturbinen-Verdichter (14) und eine Luftzerlegungsanlage (18) mit einem vorgegebenen Betriebsdruck aufweist, bei dem verdichtete Luft aus dem Gasturbinen-Verdichter (14) auf einem Druckniveau entnommen wird, welches dem Betriebsdruck der Luftzerlegungsanlage (18) angepasst ist, die entnommene Luft anschließend der
Luftzerlegungsanlage (18) zugeführt wird, in welcher die Luft in ihre einzelnen Bestandteile, insbesondere in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt wird, der in der Luftzerlegungsanlage (18) erzeugte Stickstoff aus der Luftzerlegungsanlage (18) entnommen wird, und zumindest ein Teil der entnommenen
Stickstoffmenge als Kühlmedium am Gas- und Dampfkraftwerk verwendet wird, um dessen Wirkungsgrad zu steigern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der entnommenen Stickstoffmenge in den Gasturbinen- Verdichter (14) derart eingebracht wird, dass die im Gasturbinen-Verdichter (14) verdichtete Luft durch Vermischung mit dem Teil der entnommenen Stickstoffmenge gekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung von im Gasturbinen-Verdichter (14) zu verdichtende Luft Wärmeenergie der verdichteten Luft über einen Wärmeübertrager auf den Teil der entnommenen Stickstoffmenge übertragen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der entnommenen Stickstoffmenge mit vom Gasturbinen- Verdichter (1) angesaugter Luft vermischt wird, um die angesaugte Luft zu kühlen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung von Luft, die vom Gasturbinen-Verdichter (14) angesaugt wird, Wärmeenergie der angesaugten Luft über einen Wärmeübertrager auf den Teil der entnommenen Stickstoffmenge übertragen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der entnommenen Stickstoffmenge als zusätzliches Kühlmedium für einen Kondensator (36) einer Dampfturbine (34) des kombinierten Gas- und Dampfkraftwerks (10) mit integrierter Brennstoffvergasung verwendet wird.
7. Verfahren zur Steigerung des Wirkungsgrads eines kombinierten Gas- und Dampfkraftwerks (10) mit integrierter Brennstoffvergasung, das einen Gasturbinen-Verdichter (14) und eine Luftzerlegungsanlage (18) mit einem vorgegebenen Betriebsdruck aufweist, bei dem verdichtete Luft aus dem
Gasturbinen-Verdichter (14) auf einem Druckniveau entnommen wird, welches dem Betriebsdruck der Luftzerlegungsanlage (18) angepasst ist, die entnommene Luft anschließend der Luftzerlegungsanlage (18) zugeführt wird, in welcher die Luft in ihre einzelnen Bestandteile, insbesondere in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt wird, der in der Luftzerlegungsanlage (18) erzeugte Stickstoff aus der Luftzerlegungsanlage (18) entnommen wird, und zumindest ein Teil der entnommenen Stickstoffmenge erwärmt wird und nach Erwärmung in einer weiteren Turbine (44) des kombinierten Gas- und
Dampfkraftwerks (10) mit integrierter Brennstoffvergasung entspannt wird, um dessen Wirkungsgrad zu steigern.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erwärmung des Teils der entnommenen Stickstoffmenge
Wärmeenergie der entnommenen verdichteten Luft über einen Wärmeübertrager (40) auf den Teil der entnommenen Stickstoffmenge übertragen wird.
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