WO2008012117A1 - Verfahren zum betrieb einer kraftwerksanlage mit integrierter kohlevergasung sowie kraftwerksanlage - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer kraftwerksanlage mit integrierter kohlevergasung sowie kraftwerksanlage Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a power plant with integrated coal gasification and a power plant ⁇ plant.
  • Such an IGCC system is known, for example, from WO
  • Membrane-based arrangements for air separation however, the disadvantage that the membrane unit must be kept at a comparatively ⁇ as high operating temperature, so that it can perform the operation. It must therefore be heating gie permanently supplied to the membrane reactor so that the ⁇ ser has the required process temperature for the Sauerstoffab ⁇ divorce from the air.
  • the object of the invention is therefore to propose a method and a power plant, the o.g. Disadvantages in a membrane-based Sauserstoffabscheidung overcomes.
  • heating energy is supplied to maintain the required process temperature of the membrane, wherein the heating energy is obtained from the synthesis gas in a heat ⁇ exchange with the air, and the heated air of the membrane is led to.
  • the heat exchange process and its advantageous coupling to the high temperature level of the synthesis gas (crude gas) obtained in the gasification device results in a particularly efficient method of heating the air to the required process temperature and then supplying the heated air to the membrane unit in the correct temperature.
  • the membrane on the Radiotemparetar typically 700 0 C to 1000 0 C, brought.
  • the heating energy is taken from the gasification process, but advantageously indirectly, ie via an air / synthesis gas heat exchange.
  • heated air leaving the Membranag- gregat is advantageously for further Nutzan ⁇ applications in the IGCC plant is available, either as the use of the thermal energy of the heated and depleted air through transmission heat to a water-steam Circulation.
  • the thus cooled air may optionally be used or al ternatively ⁇ for cooling purposes or as combustion air in the gas turbine combustor.
  • the figure shows a power plant (1) with integrated gasification device (2).
  • the IGCC plant (1) comprises a gas turbine plant (3) comprising a compressor part (5), a combustion chamber (7) and a gas turbine (9). Compressor side, a generator (11) for electrical Energy Energyzeu ⁇ supply to the compressor part (5) is coupled. On the exhaust side, the gas turbine (9) is followed by a heat recovery steam generator (AHDE).
  • the waste heat steam generator (AHDE) is connected in the water-steam cycle (WDK) of a steam turbine plant, not shown, so that a "combined-cycle” or gas and steam turbine plant (GuD) is realized
  • Gas turbine (9) heat and evaporate in the heat recovery steam generator (AHDE) water to steam, which is available in the steam turbine.
  • the gasification device (2) has a feed line (13) for the fossil fuel (B). Furthermore, a supply line (15) for oxygen (O 2 ) is present, which opens into the gasification device (2). In the gasifier the fossil fuel (B) is partially burned along with the oxygen (02), so that a cryptokalori ⁇ ULTRASONIC fuel gas, the synthesis gas (SG) is formed.
  • the gasified fossil fuel (B) and as synthesis gas (SG) conces- the associated gas ⁇ turbine (9) burner (7) for combustion leads.
  • a process temperature (T) is determined by ei ⁇ ner membrane (17) of air (L) of oxygen (O 2) is deposited, whereby the deposited oxygen (O 2) of the gasification ⁇ device (2) (to react with the fossil fuel B) is supplied.
  • T process temperature
  • heat is supplied to the membrane (17).
  • the heat energy is recovered from the synthesis gas (SG) in a heat exchange with the air (L).
  • the shear in the heat exchangers (19), heated air (L) of the membrane (17) is supplied ⁇ leads.
  • the air (L) in heat exchange with the synthesis gas (SG) is at 700 0 C to 1000 0 C, preferably 800 0 C and 900 0 C, heated to ensure a sufficient operating temperature of the memb ⁇ ranaggregats (17) ,
  • the cooled air (L ') can be supplied as cooling air to the gas turbine (9) and / or as combustion air to the burner (7).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage mit integrierter Vergasungseinrichtung (2), bei dem ein fossiler Brennstoff (B) vergast und als Synthesegas (SG) einem einer Gasturbine zugeordneten Brenner (7) zur Verbrennung zugeführt wird, wobei bei einer Prozesstemperatur (T) mittels einer Membran (17) aus Luft (L) Sauerstoff (02) abgeschieden wird, wobei der abgeschiedene Sauerstoff (02) der Vergasungseinrichtung (2) zur Reaktion mit dem fossilen Brennstoff (B) zugeführt wird, wobei zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Prozesstemperatur (T) der Membran (17) Heizenergie zugeführt wird, wobei die Heizenergie aus dem Synthesegas (SG) in einem Wärmetausch mit der Luft (L) gewonnen wird, und die aufgeheizte Luft (L) der Membran zu geführt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage mit integrierter Kohlevergasung sowie Kraftwerksanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage mit integrierter Kohlevergasung sowie eine Kraft¬ werksanlage .
Eine derartige IGCC-Anlage ist beispielsweise aus der WO
03/008768 bekannt. Diese Anlage weist eine Vergasungseinrich¬ tung auf, in der partikelförmige Kohle zusammen mit Sauer¬ stoff und Dampf zu einem Sythesegas verbrannt werden (Parti- aloxidation) . Das Syntesegas wird - nach mehreren Ausberei- tungsschritten - als gasförmiger Brennstoff einer Gasturbinebrennkammer zugeführt. Bei der WO 03/008768 ist zur Sauer¬ stoffgewinnung eine kryogene Luftzerlegungsanlage (LZA= in die IGCC-Anlage implementiert. Diese zerlegt die Luft in ei¬ nem mechanisch getriebenen thermodynamischen Prozess in ihre wesentlichen Bestandteile Stickstoff und Sauerstoff. Der in der LZA gewonnene Sauerstoff wird der Vergasungseinrichtung zugeführt .
Alternativ zu den kryogenen Luftzerlegungsanlagen sind inzwi- sehen zur Abscheidung von Sauerstoff Aggregate auf Membranba¬ sis vorgeschlagen worden. Die Membraneffekte osmotisch bzw. elektrochemisch indiziert führen zu einer zumindest teilwei¬ sen Abscheidung des Sauerstoffs aus der Luft. Der Ersatz der Luftzerlegungsanlage durch eine Membran wird als mögliche Op- tion zur Wirkungsgradsteigerungen bei konventionellen IGCC-
Kraftwerken angesehen. Ferner lässt die Implementierung einer Membran eine Kompensation des Wirkungsgradverlusts bei CO2- freien Kraftwerkskonzepten erwarten.
Membranbasierte Anordnungen zur Luftzerlegung allerdings den Nachteil auf, dass das Membranaggregat auf einer vergleichs¬ weise hohen Betriebstemperatur gehalten werden muss, damit diese die Funktion ausführen kann. Es muss demnach Heizener- gie dem Membranreaktor permanent zugeführt werden, damit die¬ ser die erforderliche Prozesstemperatur für die Sauerstoffab¬ scheidung aus der Luft aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren und eine Kraftwerksanlage vorzuschlagen, das die o.g. Nachteile bei einer membranbasierten Sauserstoffabscheidung überwindet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen genannt .
Gemäß der Erfindung wird zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Prozesstemperatur der Membran Heizenergie zugeführt, wobei die Heizenergie aus dem Synthesegas in einem Wärme¬ tausch mit der Luft gewonnen wird, und die aufgeheizte Luft der Membran zu geführt wird.
Durch den Wärmetauschprozess und dessen vorteilhafte Ankopp- lung an das hohe Temperaturniveau der in dem Vergasungseinrichtung gewonnenen Synthesegases (Rohgas) ergibt sich eine besonders effiziente Methode die Luft auf die erforderliche Prozesstemperatur aufzuheizen und dann die aufgeheizte Luft dem Membranaggregat bereits temperaturrichtig zuzuführen. Hierdurch kann auf besonders einfache Weise die Membran auf die Betriebstemparetar, typischerweise 700 0C bis 1000 0C, gebracht werden. Überdies wird die Heizenergie aus dem Verga- sungsprozess genommen, aber vorteilhafterweise indirekt, d.h. über einen Luft-/ Synthesegas - Wärmetausch.
Die im wesentlichen noch auf der ursprünglichen Temperatur, d.h. Prozesstemperatur, aufgeheizte Luft, die das Membranag- gregat verlässt steht vorteilhafterweise für weitere Nutzan¬ wendungen in der IGCC-Anlage zur Verfügung, sei es z.B. die Nutzung der Wärmeenergie der aufgeheizten und abgereicherten Luft durch Übertragung der Wärme auf einen Wasser-Dampf- Kreislauf. Die derart abgekühlte Luft kann wahlweise oder al¬ ternativ zu Kühlungszwecken oder als Verbrennungsluft in der Gasturbinenbrennkammer eingesetzt werden.
Nachfolgend wird in der Figur ein Ausführungsbeispiel der Er¬ findung gezeigt.
Die Figur zeigt eine Kraftwerksanlage (1) mit integrierter Vergasungseinrichtung (2) . Die IGCC-Anlage (1) weist eine Gasturbinenanlage (3), umfassend einen Verdichterteil (5), eine Brennkamer (7) und einen Gasturbine (9) auf. Verdichter- seitig ist ein Generator (11) zur elektrischen Energieerzeu¬ gung an den Verdichterteil (5) angekoppelt. Abgasseitig ist der Gasturbine (9) ein Abhitzedampferzeuger (AHDE) nachge- schaltet. Der Abhitzedampferzeuger (AHDE) ist in den Wasser- Dampf-Kreislauf (WDK) einer nicht näher dargestellten Dampfturbinenanlage geschaltet, so dass eine „combined-cycle" bzw. Gas-und Dampfturbinenanlage (GuD) realsiert ist. Heiße Abgase bzw. Rauchgase aus der Gasturbine (9) erhitzen und verdampfen dabei in dem Abhitzedampferzeuger (AHDE) Wasser zu Dampf, der in der Dampfturbine nutzbar ist.
Die Vergasungseinrichtung (2) weist eine Zufuhrleitung (13) für den fossilen Brennstoff (B) auf. Weiterhin ist eine Zu- fuhrleitung (15) für Sauerstoff (O2) vorhanden, die in die Vergasungseinrichtung (2) einmündet. In der Vergasungseinrichtung wird der fossile Brennstoff (B) zusammen mit dem Sauerstoff (02) partiell verbrannt, so dass ein niederkalori¬ sches Brenngas, das Synthesegas (SG) gebildet wird.
Bei dem Verfahren zum Betrieb der IGCC-Kraftwerksanlage (1) mit integrierter Vergasungseinrichtung (2), wird der fossile Brennstoff (B) vergast und als Synthesegas (SG) dem der Gas¬ turbine (9) zugeordneten Brenner (7) zur Verbrennung zuge- führt wird. Bei einer Prozesstemperatur (T) wird mittels ei¬ ner Membran (17) aus Luft (L) Sauerstoff (O2) abgeschieden wird, wobei der abgeschiedene Sauerstoff (O2) der Vergasungs¬ einrichtung (2) zur Reaktion mit dem fossilen Brennstoff (B) zugeführt wird. Zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Prozesstemperatur (T) wird der Membran (17) Heizenergie zugeführt. Die Heizenergie wird aus dem Synthesegas (SG) in einem Wärmetausch mit der Luft (L) gewonnen. Die in dem Wärmetau- scher (19) aufgeheizte Luft (L) wird der Membran (17) zuge¬ führt .
Die Luft (L) im Wärmetausch mit dem Synthesegas (SG) wird auf 700 0C bis 1000 0C, vorzugsweise 800 0C und 900 0C, aufge- heizt wird, um eine ausreichende Betriebstemperatur des Memb¬ ranaggregats (17) zu gewährleisten.
Die durch den Entzug von Sauerstoff (O2) mittels der Membran (17) zumindest teilweise abgereicherte Luft (L') wird danach abgekühlt. Hierzu ist ein Wärmetauscher (21) in die Leitung (23) geschaltet. Die abgereicherte Luft (L') wird in einem Wärmetausch mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf der Kraftwerksanlage (1) abgekühlt wird, so dass heißer Prozessdampf (D) er¬ zeugt wird, der für den Betrieb einer Dampfturbine nutzbar ist.
Zusätzlich kann die abgekühlte Luft (L' ) als Kühlluft der Gasturbine (9) zugeführt werden und/oder als Verbrennungsluft dem Brenner (7) .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage mit integ¬ rierter Vergasungseinrichtung (2), bei dem ein fossiler Brennstoff (B) vergast und als Synthesegas (SG) einem einer Gasturbine zugeordneten Brenner zur Verbrennung zugeführt wird, wobei bei einer Prozesstemperatur (T) mittels einer Membran aus Luft (L) Sauerstoff (O2) abgeschieden wird, wobei der abgeschiedene Sauerstoff (O2) der Vergasungseinrichtung zur Reaktion mit dem fossilen Brennstoff (B) zugeführt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Auf¬ rechterhaltung der erforderlichen Prozesstemperatur (T) der Membran Heizenergie zugeführt wird, wobei die Heizenergie aus dem Synthesegas (SG) in einem Wärmetausch mit der Luft (L) gewonnen wird, und die aufgeheizte Luft (L) der Membran zu geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Luft (L) im Wärmetausch mit dem Synthesegas (SG) auf 700 0C bis 1000 0C, vorzugsweise 800 0C und 900 0C, auf¬ geheizt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die durch den Sauerstoffentzug mittels der Membran zumindest teilweise abgereicherte Luft (L' ) abgekühlt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die abgereicherte Luft (L' ) in einem Wärmetausch mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf der Kraftwerksanlage abgekühlt wird, so dass heißer Prozessdampf (D) erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Prozessdampf (D) einer Dampfturbine zur Energieerzeugung zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5 bei dem die abgekühlte Luft (L' ) als Kühlluft der Gasturbine zugeführt wird und/oder als Verbrennungsluft dem Brenner zu¬ geführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Synthesegas (SG) nach dem Wärmetausch mit der Luft (L) weiter aufbereitet, insbesondere gereinigt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem bedarfsweise das gereinigte Syntesegas (SG) mit einem Inertmedium, vorzugsweise Stickstoff (N2) oder Wasserdampf (H2O) , verdünnt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zur Reduzierung des Sauerstoffpartialdruckes Dampf in den sauerstoffseitigen Entnahmebereich (25) der Membran (17) eingedüst wird und das Dampf-Sauerstoffgemisch dem Verga- sungsprozess zugeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Luft (L) als Verdichterentnahmeluft aus einer Entnahme eines der Gasturbine zugeordneten Verdichterteils entnommen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Entnahme der Luft (L) nach der Endstufe am Ver¬ dichteraustritt oder wahlweise bei einem geringeren Druckni¬ veau der Verdichterluft durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Luft (L) zusätzlich nachverdichtet wird, so dass die Verdichterentnahmeluft auf das erforderliche Druckniveau gebracht wird.
13. Kraftwerksanlage, insbesondere zur Durchführung des Ver¬ fahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Gasturbine, der eine Brennkammer mit mindestens einem Brenner zugeordnet ist, und mit einem der Brennkammer vorgeschalteten BrennstoffSystem, das eine Vergasungseinrichtung für fossilen Brennstoff und eine von der Vergasungseinrichtung abzweigende und in die Brennkammer mündende Gasleitung aufweist, sowie eine Membraneinheit zur Abscheidung von Sauerstoff aus Luft, wobei die Membraneinheit mit ihrer Sauerstoffseitigen Entnahmeseite an die Vergasungseinrichtung angeschlossen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die von der Vergasungseinrichtung abzweigende Gasleitung primärseitig an einen Wärmetauscher angeschlossen ist, so dass sekundär- seitig die dem Wärmetauscher zustellbare Luft auf eine Pro¬ zesstemperatur aufheizbar und der Membraneinheit zuführbar ist.
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