EP4271937A1 - Verfahren zur erzeugung von wasserdampf mit definierten dampfparametern - Google Patents

Verfahren zur erzeugung von wasserdampf mit definierten dampfparametern

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EP4271937A1
EP4271937A1 EP22710557.4A EP22710557A EP4271937A1 EP 4271937 A1 EP4271937 A1 EP 4271937A1 EP 22710557 A EP22710557 A EP 22710557A EP 4271937 A1 EP4271937 A1 EP 4271937A1
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steam
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turbine
generating
live
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EP4271937C0 (de
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Frank CORNAK
Jörg Döhring
Jörg Eppendorfer
Bernd Leidinger
Frank NICKE
Mario Rolle
Andreas Schulze
Ingo Stephan
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    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
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    • F22B1/003—Methods of steam generation characterised by form of heating method using combustion of hydrogen with oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/005—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for the working fluid being steam, created by combustion of hydrogen with oxygen

Definitions

  • the invention relates to a method for generating steam with defined steam parameters according to the preamble of independent claim 1.
  • Steam is often used in processes and in the heat supply, in the following the term industrial processes is used in general.
  • a typical area of application is the provision of heat, for example for cooking, evaporation or distillation processes.
  • drying processes or the provision of heat for endothermic reactions in the chemical industry can be realized with steam.
  • Steam which is used in industrial processes is often referred to as process steam.
  • the object of the present invention is to avoid the disadvantages of the prior art when providing steam with defined steam parameters and to demonstrate a more effective process for providing the steam.
  • the object is solved by the features of independent claim 1.
  • One embodiment of the invention provides that the hydrogen and oxygen used for combustion is generated using regenerative energy. As a result, the process steam can be generated completely emission-free.
  • a further embodiment of the invention provides that at least part of the live steam is removed before it enters the steam turbine and fed directly to an industrial process.
  • the steam parameters of the live steam which is produced during the internal combustion of hydrogen with oxygen, can be influenced in such a way that at least part of the live steam can be fed directly to the industrial process. If additional steam with lower steam parameters is required, this can be provided by expanding another part of the live steam in a steam turbine.
  • a further embodiment of the invention provides that the mechanical energy generated by the steam turbine is used to drive machines and/or to generate electrical energy with the aid of a generator. Due to the double use of the steam, which is also referred to as combined heat and power generation, particularly high overall efficiencies can be achieved, which increase the economic speed of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a plant which is suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the figure only shows the essential ones to explain the Components necessary for the process and do not represent a true-to-scale representation.
  • the system for carrying out the method according to the invention essentially comprises a steam generator 1 and a steam turbine 2 downstream of the steam generator.
  • the steam is generated by internal combustion and not, as is otherwise customary, by the pure supply of heat (partly from external combustion), as is the case, for example, when using a conventional boiler.
  • the internal combustion takes place in a steam generator 1 referred to as Clean Steam Generator, CSG.
  • CSG Clean Steam Generator
  • the CSG 1 is produced by pressurized, internal combustion of hydrogen H 2 with oxygen 0 2 and the addition of water H 2 0 2 (irrespective of the state of aggregation ) characterized, whereby live steam SL is produced with defined steam parameters (pressure, temperature%) and in a defined quantity and purity.
  • the live steam S L is then fed to the steam turbine 2 downstream of the CSG.
  • the live steam is expanded to lower steam parameters along an expansion path, which extends from a steam turbine inlet 4 to a steam turbine outlet 5 .
  • the steam can be removed along the expansion section by one or more intermediate steam extractions and fed to the respective industrial process as process steam S P2 .
  • the remaining part of the steam is completely expanded along the expansion section and leaves the steam turbine at the steam turbine outlet 5 as exhaust steam S.
  • the exhaust steam can then be fed to a condenser or to another industrial process as process steam S P 3 .
  • the steam turbine 1 is designed as a (extraction) condensation turbine or as an (extraction) back-pressure turbine.
  • part or all of the live steam can be derived before the steam turbine and fed directly to an industrial process as process steam S Pi .
  • the distribution of the water vapor S Pi - S P 3 to the different union industrial processes can vary both in terms of time and the respective amount of steam.
  • the steam turbine drives a generator 3 for generating electrical energy; alternatively, the steam turbine can also drive a working machine (compressor, pump,).
  • the steam turbine can be designed in one or more stages and also consist of one or more housings.
  • the live steam can be divided between several steam turbines, expanded and fed to the various industrial processes.
  • the various steam turbines and housings can be operated at the same or different speeds and do not necessarily have to be mechanically coupled to one another via a shaft (several generators) and do not necessarily have to serve the same purpose (e.g. high-pressure turbine as a mechanical drive for a prime mover, low-pressure turbine as a generator drive). .)
  • the hydrogen and oxygen used for combustion can preferably be generated using regenerative energy and then stored for further use in the CSG. Due to the regenerative production of the hydrogen and the oxygen, the method according to the invention for the production of process steam can be CCh-free.
  • the method according to the invention for generating steam offers significant advantages over the conventional methods both in terms of fuel utilization and operational flexibility (the CSG can run higher load gradients than a conventional boiler).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserdampf mit definierten Dampfparametern. Das Verfahren ist dabei gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte: - Druck beaufschlagte, interne Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff unter Zugabe von Wasser, in einem Dampferzeuger (1) und Erzeugung von Frischdampf; - Zuführen des im Dampferzeuger (1) erzeugten Frischdampfs zu einer Dampfturbine (2); - Expandieren des Frischdampfs entlang einer Expansionsstrecke in der Dampfturbine (2); - Entnehmen von Zwischendampf entlang der Expansionsstrecke und/oder Entnehmen von Abdampf am Ende der Expansionsstrecke mit definierten Dampfparametern und - Zuführen des entnommenen Zwischendampfs und/oder Abdampfs zu einem nachfolgenden Industrieprozess.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Erzeugung von Wasserdampf mit definierten Dampfparametern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserdampf mit definierten Dampfparametern nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Wasserdampf wir häufig in Prozessen sowie in der Wärmeversorgung verwendet, nachfolgend wird allgemein der Begriff Industrieprozesse verwendet. Ein typisches Anwendungsgebiet ist die Bereitstellung von Wärme, beispielsweise für Koch-, Eindampf- oder Destillationsprozesse, darüber hinaus können auch Trocknungsprozesse oder die Wärmebereitstellung bei endothermen Reaktionen in der Chemieindustrie mit Wasserdampf realisiert werden. Wasserdampf welcher in industriellen Prozessen verwendet wird, wird dabei häufig auch als Prozessdampf bezeichnet.
Die Erzeugung von Wasserdampf für Industrieprozesse stellt einerseits hohe Anforderungen an das zur Erzeugung benötigte Equipment, andererseits beeinflusst die Erzeugung auch wesentlich den Energieverbrauch. Die klassische Wasserdampferzeugung mit Hilfe eines konventionellen Kessels (und ggf. einer Dampfturbine) ist in der Betriebsflexibilität (Lastgradienten, Anfahrzeit, ...) limitiert. Zudem bedingt der Einsatz eines Kessels hohe Investitionskosten. Der Kessels wird in der Regel mit fossilen Energieträgern befeuert, was sich negativ auf die Emissionen der Anlage und somit auch auf ökologische und betriebswirtschaftliche Aspekte auswirkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik bei der Bereitstellung von Wasserdampf mit definierten Dampfparametern zu vermeiden und einen effektiveren Prozess zur Bereitstellung des Wasserdampfs aufzuzeigen . Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche .
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Wasserdampf mit definierten Dampfparametern zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus:
- Druck beaufschlagte, interne Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoffund unter Zugabe von Wasser (unabhängig vom Aggregatzustand), in einem Dampferzeuger und Erzeugung von Frischdampf;
- Zuführen des im Dampferzeuger erzeugten Frischdampfs zu einer Dampfturbine;
- Expandieren des Frischdampfs entlang einer Expansionsstrecke in der Dampfturbine;
- Entnehmen von Zwischendampf entlang der Expansionsstrecke und/oder Entnehmen von Abdampf am Ende der Expansionsstrecke mit definierten Dampfparametern und
- Zuführen des entnommenen Zwischendampfs und/oder Abdampfs zu einem nachfolgenden Industrieprozess.
Im Gegensatz zur klassischen Dampferzeugung mit Hilfe eines konventionellen Kessels ergibt sich eine deutlich erhöhte Betriebsflexibilität (Lastgradienten, Anfahrzeit, ...). Insbesondere ergeben sich durch die interne Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff sehr kurze Anfahrzeiten. Durch die Zugabe von Wasser (unabhängig vom Aggregatzustand) kann bereits eine (Vor-)Konditionierung des Frischdampfes erfolgen . Das Zuführen und Entspannen des Frischdampfes in der Dampfturbine ermöglicht die Bereitstellung von Wasserdampf mit definierten und ggf. unterschiedlichen Dampfparametern . Hierzu kann Wasserdampf mit den entsprechenden Dampfparametern durch eine oder mehrere Zwischendampfentnahmen entlang der Expansionsstecke innerhalb der Dampfturbine entnommen und dem jeweiligen
Industrieprozess zugeführt werden. Alternativ oder zusätzlich zur Dampfturbinen als Regelorgan der Prozessdampfparameter können auch andere technische Vorrichtungen wie z.B. Drosseln (z.B. in Kombination mit Wassereinspitzung oder sonstiger Kühlung) eingesetzt werden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der zur Verbrennung genutzte Wasserstoff und Sauerstoff mittels regenerativer Energie erzeugt wird. Hierdurch kann die Erzeugung des Prozessdampfs völlig emissionsfrei erfolgen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein Teil des Frischdampfes vor dem Eintritt in die Dampfturbine entnommen und direkt einem Industrieprozess zugeführt wird. Durch die Zugabe von Wasser können die Dampfparameter des Frischdampfs, der bei der internen Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff entsteht, so beeinflusst werden, dass zumindest ein Teil des Frischdampfs direkt dem Industrieprozess zugeführt werden kann. Wird weiterer Wasserdampf mit niedrigeren Dampfparametern benötigt, kann dieser durch Expansion eines weiteren Teils des Frischdampf in einer Dampfturbine bereitgestellt werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die von der Dampfturbine erzeugte mechanische Energie zum Antreiben von Maschinen und/oder zum Erzeugen elektrischer Energie mit Hilfe eines Generators genutzt wird. Durch die doppelte Nutzung des Dampfes, welche auch als Kraft-Wärme- Kopplung bezeichnet wird, können besonders hohe Gesamtwirkungsgrade erreicht werden, die die Wirtschaftlich keit des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöhen.
Weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend Anhand einer Figur erläutert. Die Figur zeigt eine Anlage, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Figur zeigt nur die wesentlichen, zur Erläuterung des Verfahrens notwendigen Bauteile und stellt keine maßstabsgerechte Darstellung dar.
Die Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst im Wesentlichen einen Dampferzeuger 1 und eine dem Dampferzeuger nachgeschaltete Dampfturbine 2.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Dampferzeugung durch innere Verbrennung und nicht wie sonst üblich, durch reine Wärmezufuhr (teils aus externer Verbrennung), wie beispielsweise bei der Verwendung eines konventionellen Kessels.
Die interne Verbrennung erfolgt dabei in einem als Clean Steam Generator, CSG, bezeichneten Dampferzeuger 1. Der CSG 1 wird durch eine Druck beaufschlagte, interne Verbrennung von Wasserstoff H2 mit Sauerstoff 02 und der Zugabe von Wasser H202 (unabhängig vom Aggregatzustand) charakterisiert, wobei Frischdampf SL mit definierten Dampfparametern (Druck, Temperatur...)sowie in einer definierten Menge und Reinheit entsteht.
Der Frischdampf SL wird anschließend, der dem CSG nachgeschalteten Dampfturbine 2, zugeführt. Entlang einer Expansionsstrecke, welche sich von einem Dampfturbinen eintritt 4 bis zu einem Dampfturbinenaustritt 5 erstreckt, wird der Frischdampf auf niedrigere Dampfparameter entspannt. Je nachdem welche Dampfparameter für den jeweiligen Industrieprozess gefordert sind, kann der Dampf entlang der Expansionsstrecke durch eine oder mehrere Zwischendampf- entnahmen entnommen werden und als Prozessdampf SP2, dem jeweiligen Industrieprozess zugeführt werden. Der restliche Teil des Dampfes wird vollständig entlang der Expansionsstrecke entspannt und verlässt die Dampfturbine am Dampfturbinenaustritt 5 als Abdampf S · Der Abdampf kann dann einem Kondensator zugeführt oder einem weiteren Industrieprozess als Prozessdampf SP3 zugeführt werden. Je nachdem, ob der Dampf am Ende der Expansionsstrecke als Abdampf dem Kondensator oder als Prozessdampf einem Industrieprozess zugeführt wird, ist die Dampfturbine 1 als (Entnahme-) Kondensationsturbine oder als (Entnahme-) Gegendruckturbine ausgebildet.
Erfordert ein Industrieprozess sehr hohe Dampfparameter, so kann ein Teil, oder der komplette Frischdampf, bereits vor der Dampfturbine abgeleitet und als Prozessdampf SPi unmittelbar einem Industrieprozess zugeführt werden. Die Aufteilung des Wasserdampfs SPi - SP3 auf die unterschied lichen Industrieprozesse kann sowohl zeitlich, als auch von der jeweiligen Dampfmenge variieren.
Die Dampfturbine treibt im Ausführungsbeispiel einen Generator 3 zur Erzeugung elektrischer Energie an, alternativ kann die Dampfturbine auch eine Arbeitsmaschine (Kompressor, Pumpe,....) antreiben.
Die Dampfturbine kann ein- oder mehrstufig ausgebildet sein und zudem aus einem oder mehreren Gehäusen bestehen.
Weiterhin ist es möglich, dass der Frischdampf auf mehrere Dampfturbinen aufgeteilt, entspannt und den unterschiedlichen Industrieprozessen zugeführt wird. Die verschiedenen Dampfturbinen und Gehäuse können mit gleicher oder unterschiedlicher Drehzahl betrieben werden und müssen nicht zwangsläufig mechanisch über eine Welle miteinander gekoppelt sein (mehrere Generatoren)und auch nicht zwangsläufig dem gleichen Zweck dienen (z.B. Hochdruckturbine als mechanischer Antrieb einer Antriebsmaschine, Niederdruckturbine als Antrieb eines Generators.)
Der zur Verbrennung genutzte Wasserstoff und Sauerstoff kann vorzugsweise mittels regenerativer Energie erzeugt und anschließend für die weitere Verwendung im CSG gespeichert werden. Durch die regenerative Erzeugung des Wasserstoffs und des Sauerstoffs kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Prozessdampf CCh-frei erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Wasserdampf bietet sowohl hinsichtlich der Brennstoffausnutzung als auch der Betriebsflexibilität (Der CSG kann höhere Lastgradierten fahren als ein konventioneller Kessel) deutliche Vorteile gegenüber den herkömmlichen Verfahren.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung von Wasserdampf mit definierten Dampfparametern gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte :
- Druck beaufschlagte, interne Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff unter Zugabe von Wasser, in einem Dampferzeuger (1) und Erzeugung von Frischdampf;
- Zuführen des im Dampferzeuger (1) erzeugten Frischdampfs zu einer Dampfturbine (2);
- Expandieren des Frischdampfs entlang einer Expansionsstrecke in der Dampfturbine (2);
- Entnehmen von Zwischendampf entlang der Expansionsstrecke und/oder Entnehmen von Abdampf am Ende der Expansionsstrecke mit definierten Dampfparametern und
- Zuführen des entnommenen Zwischendampfs und/oder Abdampfs zu einem nachfolgenden Industrieprozess.
2. Verfahren zur Erzeugung von Wasserdampf mit definierten Dampfparametern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Verbrennung genutzte Wasserstoff und Sauerstoff mittels regenerativer Energie erzeugt wird.
3. Verfahren zur Erzeugung von Wasserdampf mit definierten Dampfparametern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des Frischdampfes vor dem Eintritt in die Dampfturbine (2) entnommen und einem Industrieprozess zugeführt wird.
4. Verfahren zur Erzeugung von Wasserdampf mit definierten Dampfparametern nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Dampfturbine (1) erzeugte mechanische Energie zum Antreiben von Maschinen oder zum Erzeugen elektrischen Stroms mit Hilfe eines Generators (3) genutzt wird.
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