DE102006035790B3 - 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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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 zur Verbrennung zugeführt wird, wobei bei einer Prozesstemperatur (T) mittels einer Membran aus Luft (L) Sauerstoff (02) abgeschieden wird, wobei der abgeschiedene Sauerstoff (02) der Vergasungseinrichtung zur Reaktion mit dem fossilen Brennstoff (B) zugeführt wird, wobei zur Aufrechterhaltung 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 zugeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage mit integrierter Kohlevergasung sowie eine Kraftwerksanlage.
  • Eine derartige IGCC-Anlage ist beispielsweise aus der WO 03/008768 bekannt. Diese Anlage weist eine Vergasungseinrichtung auf, in der partikelförmige Kohle zusammen mit Sauerstoff und Dampf zu einem Synthesegas verbrannt werden (Partialoxidation). Das Synthesegas wird – nach mehreren Aufbereitungsschritten – als gasförmiger Brennstoff einer Gasturbinenbrennkammer zugeführt. Bei der WO 03/008768 ist zur Sauerstoffgewinnung eine kryogene Luftzerlegungsanlage (=LZA) in die IGCC-Anlage implementiert. Diese zerlegt die Luft in einem 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 inzwischen zur Abscheidung von Sauerstoff Aggregate auf Membranbasis vorgeschlagen worden. Die Membraneffekte, osmotisch bzw. elektrochemisch indiziert, führen zu einer zumindest teilweisen Abscheidung des Sauerstoffs aus der Luft. Der Ersatz der Luftzerlegungsanlage durch eine Membran wird als mögliche Option zur Wirkungsgradsteigerungen bei konventionellen IGCC-Kraftwerken angesehen. Ferner lässt die Implementierung einer Membran eine Kompensation des Wirkungsgradverlusts bei CO2-freien Kraftwerkskonzepten erwarten.
  • Ein Beispiel für eine membranbasierte Luftzerlegung findet man in der U.S. 2004/0011057 A1 , die eine IGCC-Anlage beschreibt, bei der sauerstoffreiches Gas über eine Membran produziert wird, wobei der Sauerstofftransport innerhalb der Membran durch Diffusion von Oxidionen erfolgt und die Membran über einen Wärmetauscher durch heiße Abgase der Turbine auf Betriebstemperatur gebracht bzw. gehalten wird.
  • Die U.S. 5,562,754 beschreibt eine Methode der Luftzerlegung, bei der Sauerstoff enthaltendes Gas (Luft) dadurch erhitzt wird, dass es mit Treibstoff verbrannt wird, wodurch ein heißes, Sauerstoff enthaltendes Verbrennungsprodukt entsteht, das einer Membran zugeführt wird. Alternativ wird das Sauerstoff enthaltende Gas durch indirekten Wärmetausch mit einem Verbrennungsprodukt erhitzt, welches durch Verbrennung der bei der Luftzerlegung übriggebliebenen, sauerstoffarmen Luft mit Treibstoff entsteht.
  • Membranbasierte Anordnungen zur Luftzerlegung weisen allerdings den Nachteil auf, dass das Membranaggregat auf einer vergleichsweise hohen Betriebstemperatur gehalten werden muss, damit diese die Funktion ausführen kann. Es muss demnach Heizener gie dem Membranreaktor permanent zugeführt werden, damit dieser die erforderliche Prozesstemperatur für die Sauerstoffabscheidung aus der Luft aufweist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren und eine Kraftwerksanlage vorzuschlagen, das die o.g. Nachteile bei einer membranbasierten Sauerstoffabscheidung 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 Wärmetausch mit der Luft gewonnen wird, und die aufgeheizte Luft der Membran zu geführt wird.
  • Durch den Wärmetauschprozess und dessen vorteilhafte Ankopplung an das hohe Temperaturniveau des in der 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 Betriebstemperatur, typischerweise 700 °C bis 1000 °C, gebracht werden. Überdies wird die Heizenergie aus dem Vergasungsprozess genommen, aber vorteilhafterweise indirekt, d.h. über einen Luft-/Synthesegas-Wärmetausch.
  • Die im wesentlichen noch auf die ursprüngliche Temperatur, d.h. Prozesstemperatur, aufgeheizte Luft, die das Membranaggregat verlässt, steht vorteilhafterweise für weitere Nutzanwendungen in der IGCC-Anlage zur Verfügung, wie 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 alternativ zu Kühlungszwecken oder als Verbrennungsluft in der Gas turbinenbrennkammer eingesetzt werden.
  • Nachfolgend wird in der Figur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.
  • Die Figur zeigt eine Kraftwerksanlage (1) mit integrierter Vergasungseinrichtung (2). Die IGCC-Anlage (1) weist eine Gasturbinenanlage (3), umfassend einen Verdichterteil (5), eine Brennkammer (7) und eine Gasturbine (9) auf. Verdichterseitig ist ein Generator (11) zur elektrischen Energieerzeugung an den Verdichterteil (5) angekoppelt. Abgasseitig ist der Gasturbine (9) ein Abhitzedampferzeuger (AHDE) nachgeschaltet. 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) realisiert 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 Zufuhrleitung (15) für Sauerstoff (O2) vorhanden, die in die Vergasungseinrichtung (2) einmündet. In der Vergasungseinrichtung wird der fossile Brennstoff (B) zusammen mit dem Sauerstoff (O2) partiell verbrannt, so dass ein niederkalorisches 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 Gasturbine (9) zugeordneten Brenner (7) zur Verbrennung zugeführt. Bei einer Prozesstemperatur (T) wird mittels einer Membran (17) aus Luft (L) Sauerstoff (O2) abgeschieden, wobei der abgeschiedene Sauerstoff (O2) der Vergasungseinrichtung (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 Wärmetauscher (19) aufgeheizte Luft (L) wird der Membran (17) zugeführt.
  • Die Luft (L) im Wärmetausch mit dem Synthesegas (SG) wird auf 700 °C bis 1000 °C, vorzugsweise 800 °C und 900 °C, aufgeheizt, um eine ausreichende Betriebstemperatur des Membranaggregats (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, so dass heißer Prozessdampf (D) erzeugt 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 (13)

  1. 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 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, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufrechterhaltung 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 °C bis 1000 °C, vorzugsweise 800 °C und 900 °C, aufgeheizt 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 zugeführt 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 Synthesegas (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 Vergasungsprozess 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 Verdichteraustritt oder wahlweise bei einem geringeren Druckniveau 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 Verfahrens 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, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Vergasungseinrichtung abzweigende Gasleitung primärseitig an einen Wärmetauscher angeschlossen ist, so dass sekundärseitig die dem Wärmetauscher zustellbare Luft auf eine Prozesstemperatur aufheizbar und der Membraneinheit zuführbar ist.
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