DE112011100506T5

DE112011100506T5 - Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungssystem und Verfahren basierend auf der Pyrolyse der Festbrennstoffe und die Verbrennung der Halbkokse

Info

Publication number: DE112011100506T5
Application number: DE112011100506T
Authority: DE
Inventors: Jianzhong YAO; Wenli SONG; Junfeng Li; Jinghai Li; Songgeng LI; Weigang LIN
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2013-04-11
Also published as: DE112011100506T8; JP5632075B2; CN102261271A; WO2012155314A1; CN202165134U; AU2011349905B2; JP2013534988A; AU2011349905A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein auf der Pyrolyse der Festbrennstoffe und der Verbrennung der Halbkokse basiertes Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungssystem und dessen Verfahren. Das Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungssystem umfasst: eine Pyrolysevorrichtung (1), womit Festbrennstoffe zur Erzeugung von Gasen, Flüssigbrennstoffe und feste Halbkokse pyrolysiert werden; eine Kühlvorrichtung (2), womit Gase und Flüssigbrennstoffe abgetrennt werden, die nachher jeweils durch eine Reinigungsvorrichtung (3) und eine Reinigungsvorrichtung (4) entstaubt und entschwefelt werden; einen Kessel (5), worin die Halbkokse zur Erzeugung von Wasserdampf verbrannt werden; eine Gasturbine (7), worin Gase oder Flüssigbrennstoffe zur Stromerzeugung verbrannt werden und eine Dampfturbine (8), worin Wasserdampf zur Stromerzeugung eingesetzt wird. Mittels dieses Verfahrens werden Festbrennstoffe zur Erzeugung von Gasen, Flüssigbrennstoffe und feste Halbkokse pyrolysiert und treten Gasen, Flüssigbrennstoffe und feste Halbkokse jeweils in Gasturbinen und Dampfturbinen zur Stromerzeugung ein. Dadurch werden die Prozesse vereinfacht und die Kosten verringert. Das Verfahren, das die Vorteile von IGCC und ultra-überkritischen Stromerzeugung intergiert und deutlich den Wirkungsgrad der Stromerzeugung erhöht, kann nicht nur zum Einsatz in großen Kraftwerken sonder auch zum Einsatz in kleinen Kraftwerksblöcken mit Mitteldruck- oder Hochdruck-Parameter sein.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Kohlekraftwerk-Technologie, besonders ein auf der Pyrolyse der Festbrennstoffe und der Verbrennung der Halbkokse basiertes Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungssystem und dessen Verfahren.
Hintergrund der Erfindung
Bei Stromerzeugung aus Kohle treibt der Wasserdampf mit Hochtemperatur und Hochdruck zur Stromerzeugung Dampfturbinen an. Je höher die Temperatur und das Druck sind, desto höher ist der Wirkungsgrad der Stromerzeugung. Bei einer Temperatur von 374.15°C und einem Druck von 22.115 MPa weist Wasserdampf eine identische Dichte wie flüssiges Wasser auf und handelt es sich um kritische Parameter von Wasser; bei einer Temperatur von mehr als 374.15°C und einem Druck von mehr als 22.115 MPa handelt es sich um überkritische Parametern von Wasser und bei einer Temperatur von mehr als 600°C und einem Druck zwischen 25 MPa und 28 Mpa um ultra-überkritische Parametern.
Die typischen Parameter von subkritischen Kraftwerksblöcken sind 16.7 MPa/538°C/538°C. Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung beträgt circa 38%. Normalweise beträgt der Hauptdruck von superkritischen Kraftwerksblöcken rund 24 MP und liegt die Temperatur von Hauptdampf und wiedererhitztem Dampf zwischen 580 und 610°C
Die typischen Parameter von superkritischen Kraftwerksblöcken sind 24.1 MPa/538°C/538°C und der Wirkungsgrad beträgt circa 41%. Der Hauptdruck von ultra-überkritischen Kraftwerksblöcken liegt zwischen 24 MP und 31 Mpa, die Temperatur von Hauptdampf und wiedererhitztem Dampf liegt zwischen 580 und 610°C, der Wirkungsgrad beträgt rund 45%.
CCGT (combined cycle gas turbine) bedeutet: gasförmige oder flüssige Brennstoffe werde zur Stromerzeugung in Gasturbinen eingesetzt, danach wird ausgestoßenes Rauchgas mit Hochtemperatur im Abhitzekessel wiederverwendet und in Dampf umwandelt, der in Dampfturbine zur Stromerzeugung eintritt. Durch Brown- und Rankin-Zyklus beträgt der Wirkungsgrad der CCGT-Kraftwerksblöcke fast 57 bis 58%. In CCGT-Kraftwerken enthält die Emission aus Abhitzekesseln keinen Staub, geringe Mengen Schwefeldioxid und Stickoxide von 10 bis 25 ppm. Bei Dual-Fuel-Gasturbine (Öl und Gas) kann das Erdgas-Peak-Shaving durchgeführt. Der Wasserverbrauch vom CCGT-Kraftwerk ist normalweise ein Drittel vom Kohlekraftwerk.
IGCC ist die Abkürzung für 'Integrated Gasification Combined Cycle'. Dabei wird Kohle zuerst zur Erzeugung von Gas vergast, danach wird das Gas vereinigt und tritt in Gasturbinen zur Stromerzeugung ein, und der vom Wärmetauscher der Gasturbine erzeugte Dampf tritt in Dampfturbinen zur Stromerzeugung ein. IGCC, das eine saubere Kohlekraftwerk-Technologie mit guter Entwicklungsperspektive ist, kombiniert Gas-und-Dampf-Kombitechnik (CCGT-Kraftwerk) mit einer sauberen Kohlevergasung-Technologie, wobei ein hoher Wirkungsgrad und ausgezeichnete Umweltfreundlichkeit erreicht werden. Im derzeitige Stand der Technik beträgt der Wirkungsgrad von IGCC 43 bis 45%, die ausgestoßene Schadstoffmenge ist nur zehntel von der Menge bei herkömmlichen Kohlekraftwerken, die Entschwefel-Effizienz beträgt fast 99%, die ausgestoßene SO₂-Menge beträgt rund 25 mg/Nm³ und die ausgestoßene Stickoxide-Menge beträgt nur 15 bis 20% von der Menge bei herkömmlichen Kohlekraftwerke und der Wasserverbrauch ist nur ein Hälfte bis ein Drittel vom Wasserbrauch bei herkömmlichen Kohlekraftwerke, somit ist es umweltfreundlich. Aber die Baukosten von IGCC-Kraftwerke ist höher als von Kraftwerke mit Kohlenstaub-Verbrennung und die Koste pro Kilowatt ist viel höher als bei 1000 MW ultra-überkritischen Kraftwerkblöcke. Außerdem ist das IGCC-System kompliziert und wird dadurch ihre Entwicklung beschränkt.
Die Kohlevorräte in China besteht zu mehr als 80% aus den Kohlen mit einem hohen Gehalt an den flüchtigen Bestandteilen, einschließlich Braunkohle von 13%, Glanzbraunkohle von 42% und Steinkohle von 33%. Die flüchtigen Bestandteile von Kohle können unmittelbar in gasförmige Kohlenwasserstoffe umwandelt werden, direkt verbrennt oder vergast werden, wobei die flüchtigen Bestandteile als den festen Bestandteil der Kohle angesehen werden.
Weltweit sind viele Forschungsarbeite über Kohlepyrolyse-Technologie schon durchgeführt, um Pyrolyseöl zu erhalten oder die Qualität der Brennstoffe zu verbessern. Dabei gibt es TOSCOAL-Verfahren mit Drehrohröfen-Pyrolyse, Lurgi-Ruhr-Verfahren mit Bewegbett, CEOD-Verfahren mit Wirbelschicht und ECOPRO-Verfahren mit Flugstrombett-Schnellpyrolyse. Aber die Entwicklung der Kohlepyrolyse-Technologie hat nach der breiten Verwendung von Erdöl fast aufgehört.
Die späten 1950er Jahren hatte Chinesische Akademie der Wissenschaften mit dem ersten Kraftwerk Dalian und Changchun Automobil-Fabrik zusammen einen Halbtrockendestillation-Versuch entwickelt, der die Verbrennung mit Feststoffe-Wärmeträger-Ofen intergiert, und eine vorläufige Experimentergebnisse erhalten. Aber ein weiteres Experiment hatte wegen der Entdeckung des Daqing-Ölfelds aufgehört. Anfang der 1980er Jahren hatte Die Technische Universität Dalian ein DG-Verfahren erforscht und entwickelt, und hatte China Institut für Kohlforschung mehrstufige-Drehrohröfen-Verfahren entwickelt. Neulich haben einige Institute verschiedene Kohle-Pyrolyse- und Multikopplungsverfahren entwickelt, wie z. B. Zhejiang Universität, Tsinghua Universität, Institut für Verfahrenstechnik der Chinesische Akademie der Wissenschaften, Shanxi Institut für Kohlchemie haben verschiedene Multikopplungsverfahren entwickelt, um gleichzeitig die Multikopplungsproduktion von Strom, Kohle und Gas zu erreichen.
Institut für Verfahrenstechnik der Chinesische Akademie der Wissenschaften hat immer sich bemüht, die saubere Nutzung der Kohle mit hoher Effizienz durch Coal-Topping (Pyrolyse) zu verwirklichen. Dabei haben wir es gemerkt, dass eine beste Weise zur sauberen Nutzung der Kohle mit hoher Effizienz die Hierarchisch-Nutzung der Brennstoffe durch Pyrolyse ist. Bei Ultra-überkritische-Stromerzeugung werden die gasförmigen und flüssigen Bestandteile der Kohle, die zur besseren Wirkungsgrad nicht voll ausgenutzt sind, im Kessel unmittelbar verbrannt. Bei IGCC ist der Kohlevergasungsverfahren kompliziert und beträgt der Wirkungsgrad der Kohlevergasung rund 80%, wodurch die Verbesserung der Wirkungsgrad beschränkt wird und hohe Dampfparameter des Dampf-Kreislaufsystems von Beschränkung der Abgastemperatur der Gasturbine nicht erreicht werden. Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung liegt nur bei 43 bis 45%. Deshalb stellt die vorliegende Erfindung ein auf der Pyrolyse der Festrennstoffe und der Verbrennung der Halbkokse basierte Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungssystem bereit, um besseren Wirkungsgrad durch Kohlepyrolyse und Integration der Vorteile von IGCC und ultra-überkritischen Stromerzeugung zu erreichen. Bis jetzt hat noch keines derartige integrierte System berichtet werden.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein auf der Pyrolyse der Festrennstoffe und der Verbrennung der Halbkokse basierte Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungssystem und dessen Verfahre anzugeben, wobei Festbrennstoffe mittels Festbrennstoffe-Pyrolyse-Technologie in Gase (Pyrolysegase), Flüssigbrennstoffe (Teer) und Festbrennstoffe (Halbkokse) pyrolysiert werden, gasförmige und flüssige Brennstoffe nach Kondensation, jeweils Entstaubung und Entschwefelung in Gasturbinen zur Stromerzeugung eingesetzt werden, Festbrennstoffe in Kesseln zur Dampferzeugung verbrannt werden, der erzeugte Dampf mit dem vom Wärmetauscher der Gasturbine erzeugten Dampf in Dampfturbinen zur Stromerzeugung eingeleitet wird, und das Wirkungsgrad der Stromerzeugung aus Kohle erhöht wird. Die erfindungsgemäßige Vorrichtungen sind einfach und die Investitions- und Betriebskosten sind niedrig. Zur Verbesserung der Wirkungsgrad, der Einsparung des Energieverbrauchs und der Verringerung der Schadstoffausstoß können die Vorrichtungen für die Transformation der vorrätigen kleinen und mittleren Kraftwerkblöcke eingesetzt werden.
Um die oben beschriebe Aufgaben der Erfindung zu lösen, stellt die Erfindung ein auf der Pyrolyse der Festbrennstoffe und der Verbrennung der Halbkokse basierte Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungssystem bereit, dadurch gekennzeichnet, dass das Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungssystem umfasst: eine Pyrolysevorrichtung 1, womit Festbrennstoffe zur Erzeugung von Gasen, Flüssigbrennstoffe und feste Halbkokse pyrolysiert werden, eine Kühlvorrichtung 2, womit Gase und Flüssigbrennstoffe abgetrennt werden, die jeweils über eine Reinigungsvorrichtung 3 für Gase und eine Reinigungsvorrichtung 4 für Flüssigbrennstoffe entstaubt und entschwefelt werden, einen Kessel 5, worin die Halbkokse zur Erzeugung von Wasserdampf verbrannt werden; eine Gasturbine 7, worin Gase oder Flüssigbrennstoffe zur Stromerzeugung verbrannt werden und eine Dampfturbine 8, worin Wasserdampf zur Stromerzeugung eingesetzt werden.
Bei einer Modifikation der obengenannten Ausführungsform umfasst das Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungssystem noch einen Wärmetauscher 6, der zur Nutzung des heißen Rauchgases aus den Gasturbine 7 dient, um Dampf zu erzeugen, der die Dampfturbine 8 zur Stromerzeugung antreibt, wie in 1 gezeigt.
Bei einer anderen Modifikation der obengenannten Ausführungsform umfasst das Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungssystem noch einen Wärmetauscher 6, der zur Nutzung des heißen Rauchgases aus Gasturbinen dient, um Dampf zu erzeugen, der in den Kessel 5 eintritt, dort mit dem Dampf des Kessels vermischt und erhitzt wird, und danach in die Dampfturbine 8 zur Stromerzeugung eintritt, wie in 2 gezeigt, oder der im Kessel 5 allein erhitzt wird, in die Dampfturbine 8 eintritt und mit anderem Dampf zur Stromerzeugung die Dampfturbine antreibt.
Um die andere Aufgabe der Erfindung zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein auf der Pyrolyse der Festbrennstoff und der Verbrennung der Halbkokse basierte Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungsverfahren bereit, das die folgenden Schritte umfasst:

1) Festbrennstoffe treten zuerst in die Pyrolysevorrichtung 1 ein und werden dort zur Erzeugung von Gasen, Flüssigbrennstoffe und festen Halbkokse pyrolysiert;
2) Die gasförmige und flüssige Produkte aus Pyrolyse werden durch die Kühlvorrichtung 2 abgekühlt und abgetrennt, jeweils durch die entsprechende Reinigungsvorrichtung 3 für Gase und Reinigungsvorrichtung 4 für Flüssigbrennstoffe entstaubt und entschwefelt, danach in die Gasturbine 7 zur Stromerzeugung eintreten; davon ist es eine andere Nutzung von flüssigen Brennstoffe, dass die flüssige Brennstoffe nicht in die Gasturbine zur Stromerzeugung eintreten, sonder unmittelbar als Produkt ausgeführt werden;
3) Die Halbkokse aus Pyrolyse werden im Kessel 5 zur Erzeugung von Dampf verbrannt, der von den Dampfturbine 8 zur Stromerzeugung genutzt wird.

Eine Modifikation der obengenannten Ausführungsform umfasst noch einen Schritt 4: Das heiße Rauchgas aus Gasturbinen tritt in den Wärmetauscher 6 ein, um Dampf zu erzeugen, der auch die Dampfturbine 8 zur Stromerzeugung antreibt.
Bei einer weiteren Modifikation der obengenannten Ausführungsform ist es, dass der vom Kessel, in dem die Halbkokse verbrannt werden, erzeugte Dampf im Schritt 3 und der vom Wärmetauscher erzeugte Dampf im Schritt 4 jeweils in unterschieden Dampfturbinen oder in eine gleiche Dampfturbine zur Stromerzeugung eintreten.
Bei einer anderen Modifikation der obengenannten Ausführungsform ist es, dass der vom Wärmetauscher erzeugte Dampf im Schritt 4 in den Kessel eintritt, wo die Halbkokse verbrannt werden, mit dem Dampf des Kessels vermischt und erhitzt wird und danach in die Dampfturbine zur Stromerzeugung eintritt, oder der Dampf allein im Kessel erhitzt wird, in die Dampfturbine eintritt und mit anderem Dampf die Dampfturbine zur Stromerzeugung antreibt.
Die Festbrennstoffe umfasst Kohle, Ölsand, Ölschiefer oder Biomasse.
Die Pyrolyse bezieht sich auf reine Pyrolyse, Pyrolyse mit teilweise Verbrennung, Pyrolyse mit teilweise Vergasung oder deren Kombinationen.
Erindungsgemäß ist es vorteilhaft, dass das auf der Pyrolyse der Festbrennstoffe und der Verbrennung der Halbkokse basierte Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungssystem und dessen Verfahren die Pyrolyse-Technologie der Festbrennstoffe zur Erzeugung von Gasen (Pyrolysegas), Flüssigbrennstoffe (Teer) und Festbrennstoffe (Halbkokse) genutzt haben. Die gasförmigen und flüssigen Brennstoffe werden zur Stromerzeugung in Gasturbinen eingesetzt. Dabei wird es genutzt, dass der Wirkungsgrad von CCGT höher als der Wirkungsgrad von ultra-überkritischem Stromerzeugungssystem und der komplizierte Vergasungsprozess von IGCC vermieden wird. Die festen Halbkokse können noch im Kessel mit ultra-überkritischen Parametern zur Erzeugung von Dampf, der zur Stromerzeugung in der Dampfturbine eingesetzt wird, verbrannt werden. Weil die Effizienz der Energieumwandelung vom Pyrolyseprozess relative hoch ist und von 95 bis 97% beträgt, kann der Wirkungsgrad des Hybrid-Stromerzeugungssystems höher als der Wirkungsgrad des IGCC und Ultra-Überkritisch-Stromerzeugungssystems sein.
Es wird also angenommen, dass die Effizienz der Kohle-Pyrolyse 96% beträgt, 30% der Energie vorrätig in Gasen und Flüssigbrennstoffe und 70% der Energie in Festbrennstoffe ist, falls der Wirkungsgrad von CCGT mit Gase und Flüssigbrennstoffe bei 58 bis 67% liegt und der Wirkungsgrad der ultra-überkritischen Kraftwerkblöcke mit Halbkokse 45% beträgt, liegt der Wirkungsgrad des Hierarchisch-Hybrid-Systems mit der Kohle-Pyrolyse und der Verbrennung der Halbkokse bei 47% bis 50%, der höher als der Wirkungsgrad von IGCC von 46% und der Wirkungsgrad der ultra-überkritischen Kraftwerkblöcke von 45% ist. Dadurch verringern die Kosten und die Komplexität als bei der IGCC.
In China befinden sich zur Zeit viele mittlere und kleine thermische Kraftwerke, die den im Kessel durch Verbrennung erzeugte Dampf zur Stromerzeugung nutzen, wobei der Wirkungsgrad niedrig ist und nur rund 36% beträgt. Der Wirkungsgrad der Gasturbine steigt sich mit der erhöhten Kapazität ganz wenig, deshalb werden 30% Öl- und Gas-Produkte, die in CCGT zur Stromerzeugung mit dem Wirkungsgrad von 56% eingesetzt werden, und 70% Halbkokse, die noch im ursprünglichen System zur Stromerzeugung eingesetzt werden, durch Pyrolyse mit der Effizienz von 96% erhalten und der Wirkungsgrad des ganzen Systems 42% erreicht.
Erfindungsgemäß werden die Gase und Flüssigbrennstoffe aus Pyrolyse im Gasturbine-Stromerzeugungssystem eingesetzt, die Halbkokse aus Pyrolyse zur Erzeugung von Dampf verbrannt, der mit dem vom Wärmetauscher der Gasturbine erzeugten Dampf in der Dampfturbine zur Stromerzeugung eingesetzt wird, und dadurch wird der Wirkungsgrad verbessert. Das System kann nicht nur zum Einsatz in großen Kraftwerken, wobei die höchste Wirkungsgrad der derzeitige Kohle-Stromerzeugungssystem erreicht wird, sonder auch zum Einsatz in den kleinen Kraftwerksblöcken mit Mittel- oder Hochdruck-Parameter sein, wobei der Wirkungsgrad der kleinen Kraftwerksblöcken deutlich verbessert wird, die Energie erspart wird und die Emission verringert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
1 ist eine schematische Ansicht des auf der Pyrolyse der Festbrennstoff und der Verbrennung der Halbkokse basierte Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Ansicht des Ausführungsbeispiels 1 vom auf der Pyrolyse der Festbrennstoff und der Verbrennung der Halbkokse basierte Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung
3 ist eine schematische Ansicht des Ausführungsbeispiels 2 vom auf der Pyrolyse der Festbrennstoff und der Verbrennung der Halbkokse basierte Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung
Bezugszeichenliste

1: Pyrolysevorrichtung
2: Kühlvorrichtung
3: Reinigungsvorrichtung für gasförmige Brennstoffe
4: Reinigungsvorrichtung für Flüssigbrennstoffe
5: Dampfkessel
6: Wärmetauscher
7: Gasturbine
8: Dampfturbine

Ausführungsform
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen und der Ausführungsbeispiele weiter erläutert.
Erfindungsgemäß umfassen die Vorrichtungen: eine Pyrolysevorrichtung 1 zur Pyrolyse der Festbrennstoffe, um Gase, Flüssigbrennstoffe und feste Halbkokse zu erzeugen; eine Kühlvorrichtung 2 zur Abtrennung von Gasen und Flüssigbrennstoffe; jeweils eine Reinigungsvorrichtung 3 für gasförmige Brennstoffe und eine Reinigungsvorrichtung 4 für Flüssigbrennstoffe zur Entstaubung und Entschwefelung; eine Gasturbine 7 zur Stromerzeugung durch Verbrennung von Gasen oder/und Flüssigbrennstoffe; einen Wärmetauscher 6 zur Dampferzeugung durch Nutzung vom Rauchgas aus Gasturbine; einen Kessel 5 zur Dampferzeugung durch Verbrennung der Halbkokse und eine Dampfturbine 8 zur Stromerzeugung durch Dampf.
Wie in 1 gezeigt, besteht ein auf der Pyrolyse der Festbrennstoff und der Verbrennung der Halbkokse basierte Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungsverfahren die folgenden Schritte aus:

1) Festbrennstoffe treten zuerst in die Pyrolysevorrichtung 1 ein, und werden dort zur Erzeugung von Gasen, Flüssigbrennstoffe und feste Halbkokse pyrolysiert;
2) Die Gase und Flüssigbrennstoffe werden durch die Kühlvorrichtung 2 abgekühlt und abgetrennt, danach jeweils durch die Reinigungsvorrichtung 3 für gasförmige Brennstoffe und eine Reinigungsvorrichtung 4 für Flüssigbrennstoffe entstaubt und entschwefelt, und in die Gasturbine 7 zur Stromerzeugung eintreten;
3) Das Rauchgas aus der Gasturbine tritt in den Wärmetauscher 6 ein, wobei Dampf erzeugt wird und die Dampfturbine 8 zur Stromerzeugung antreibt;
4) Die Halbkokse aus Pyrolyse werden im Kessel 5 verbrannt, um Dampf zu erzeugen, der auch von Dampfturbine 8 zur Stromerzeugung genutzt werden kann.

Davon beziehen sich die Festbrennstoffe im Schritt 1 auf Kohle, Ölsand, Ölschiefer, Biomasse.
Die Pyrolyse im Schritt 1 bezieht sich auf reine Pyrolyse, Pyrolyse mit teilweise Verbrennung, Pyrolyse mit teilweise Vergasung oder deren verschiedene Kombinationen.
Die flüssige und gasförmige Produkte im Schritt 2 treten nach der Reinigung komplett oder teilweise in eine gleiche Gasturbine oder in verschieden Gasturbinen ein, oder nur die gasförmige Produkte treten in eine Gasturbine ein.
Der vom Wärmetauscher erzeugte Dampf im Schritt 3 und der vom Kessel, in dem die Halbkokse verbrannt werden, erzeugte Dampf im Schritt 4 treten zur Stromerzeugung jeweils in verschieden Dampfturbinen oder in eine gleiche Dampfturbine ein; oder die Dampf treten in den Kessel ein, in dem die Halbkokse verbrannt werden, werden dort mit dem Dampf des Kessels vermischt und erhitzt, und treten in die Dampfturbine zur Stromerzeugung ein, wie in 2 gezeigt; oder die Dampf treten in den Kessel ein, werden dort allein erhitzt und treten danach in Dampfturbinen mit anderem Dampf zur Stromerzeugung ein.
Ausführungsbeispiel 1
Ausgangstoffe: Steinkohle mit hohem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen Ausführungsverfahren:
Zuerst wird Kohle in der Pyrolysevorrichtung 1 geleitet, wo die flüchtige Bestandteile durch Kohle-Pyrolysereaktion ausgehen werden und die gasförmige und flüssige Produkte aus Pyrolyse erhalten werden; die gasförmige und flüssige Produkte der Pyrolyse werden durch die Kühlvorrichtung 2 abgekühlt und abgetrennt, jeweils über die Reinigungsvorrichtung 3 für gasförmige Brennstoffe und die Reinigungsvorrichtung 4 für Flüssigbrennstoffe entstaubt und entschwefelt und danach treten in die Gasturbine 7 zur Stromerzeugung ein; feste Halbkokse werden von der Unterseite des Pyrolysors ausgetreten, treten im Dampfkessel 5 ein und werden dort zur Erzeugung von Dampf verbrannt; gleichzeitig wird der Dampf aus dem Wärmetauscher 6 auch im Wasser-Dampf-System vom Dampfkessel 5 eingemischt und der überhitzte Dampf tritt in die Dampfturbine 8 zur Stromerzeugung ein. Weil der aus dem Wärmetauscher 6 hinter der Gasturbine 7 erzeugte Dampf im Wasser-Dampf-System vom Dampfkessel 5 eingemischt ist, kann die Stromerzeugung bei höheren Dampfparametern durchgeführt werden und der Wirkungsgrad der Stromerzeugung weiter verbessert werden.
Es wird also angenommen, dass der Wirkungsgrad des Ultra-überkritische-System 45% beträgt und der Wirkungsgrad der Gasturbine bei 40% liegt. Wenn die Dampf-Wasser-Systeme vom Abhitzekessel und vom Kessel, in dem die Halbkokse verbrannt werden, gekoppelt werden, werden die Dampf durch Überhitzung den Kesseln mit hohen Dampfparametern zur Stromerzeugung eingesetzt, d. h. der Wirkungsgrad von CCGT (40% + 60% × 45%) = 67% beträgt, wenn CCGT mit der Ultra-überkritisch-Kessel gekoppelt ist, und dadurch beträgt der Wirkungsgrad des ganze Systems (45% × 0.7 + 67% × 0.3) × 0.96 = 50%, der deutlich höher als der Wirkungsgrad von IGCC oder dem Ultra-überkritisch-System. Wenn der Wirkungsgrad des Ultra-überkritisch-System verbessert wird, erhöht auch der Wirkungsgrad des ganzen Systems wird.
Ausführungsbeispiel 2
Ausgangstoffe: Braunkohlen mit hohem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen Ausführungsverfahren:
Wie in 3 gezeigt, wird Kohle in der Pyrolysevorrichtung 1 geleitet und mit Teile der Achsen aus dem Kessel 5 mit zirkulierenden Wirbelschicht vermischt; die Energie wird durch heiße Achsen versorgt, wobei Kohle in der Pyrolysevorrichtung 1 pyrolysiert wird und die Gase, flüssige Produkte und Halbkokse aus Pyrolyse erhalten werden; die gasförmige und flüssige Produkte aus Pyrolyse werden über die Kühlvorrichtung 2 abgekühlt und abgetrennt, jeweils über die Reinigungsvorrichtungen 3 und 4 entstaubt und entschwefelt, und treten in die Gasturbine 7 zur Stromerzeugung ein; das heiße Rauchgas aus den Gasturbine tritt in den Wärmetauscher 6 zur Erzeugung von Dampf ein, der für die Dampfturbine 8 zur Stromzeugung eingesetzt wird; die Halbkokse aus Pyrolyse werden aus die Unterseite der Pyrolysevorrichtung ausgetreten und treten in den Dampfkessel 5 ein und werden dort zur Erzeugung von Dampf verbrannt, der in die Dampfturbine 8 zur Stromerzeugung eintritt; der Dampf aus dem Wärmetauscher 6 hinter der Gasturbine 7 tritt auch in die Dampfturbine 8 zur Stromerzeugung ein.
Es wird also angenommen, dass die Effizienz des Kohle-Pyrolyse 96% beträgt, 30% der Energie vorrätig in Gase und Flüssigbrennstoffe ist und 70% der Energie in Festbrennstoffe ist. Wenn der Wirkungsgrad von CCGT mit gasförmige und flüssige Brennstoffe bei 58% liegt und der Wirkungsgrad der ultra-überkritischen Kraftwerkblöcken mit Halbkokse 45% beträgt, dann liegt der Wirkungsgrad des Hierarchisch-Hybrid-Systems mit der Kohle-Pyrolyse und der Verbrennung der Halbkokse bei (45% × 0.7 + 58% × 0.3) × 0.96 = 47% und ist höher als der Wirkungsgrad der IGCC von 46% und der Wirkungsgrad der ultra-überkritischen Kraftwerkblöcken von 45%. Dabei verringern die Kosten und die Komplexität als bei der IGCC.
Zum Schluss wird es betont, dass die obengenannten Ausführungsbeispiele jedoch nur zur Erläuterung der Erfindung dienen, aber nicht zur Beschränkung der Erfindung benutzt werden sollen. Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele mit den Details erläutert wird, sollen die Fachleute es verstehen, dass die Modifikation und die Ersetzung mit demselben Gedanke nicht vom Erfindungsgedanke und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abgeweicht sind und im Schutzbereich der folgenden Ansprüche fallen.

Claims

Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungssystem basierend auf der Pyrolyse der Festbrennstoffe und der Verbrennung der Halbkokse, dadurch gekennzeichnet, dass das System umfasst: eine Pyrolysevorrichtung (1), womit Festbrennstoffe zur Erzeugung von Gasen, Flüssigbrennstoffe und feste Halbkokse pyrolysiert werden; eine Kühlvorrichtung (2), womit Gase und Flüssigbrennstoffe abgetrennt werden, die nachher jeweils durch eine Reinigungsvorrichtung (3) für Gase und eine Reinigungsvorrichtung (4) für Flüssigbrennstoffe entstaubt und entschwefelt werden; einen Kessel (5), worin feste Halbkokse zur Erzeugung von Wasserdampf verbrannt werden; eine Gasturbine (7), worin Gase oder/und Flüssigbrennstoffe zur Stromerzeugung verbrannt werden und eine Dampfturbine (8), worin Wasserdampf zur Stromerzeugung eingesetzt werden.
Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungssystem basierend auf der Pyrolyse der Festbrennstoffe und der Verbrennung der Halbkokse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System noch einen Wärmetauscher (6) umfasst, womit das heiße Rauchgas aus der Gasturbine (7) zur Erzeugung von Dampf genutzt wird, der die Dampfturbine (8) zur Stromerzeugung antreibt.
Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungssystem basierend auf der Pyrolyse der Festbrennstoffe und der Verbrennung der Halbkokse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System noch einen Wärmetauscher (6) umfasst, womit das heiße Rauchgas aus der Gasturbine 7 zur Erzeugung von Dampf genutzt wird, der in den Kessel (5) eintritt, mit dem Dampf des Kessels (5) vermischt und erhitzt wird und in die Dampfturbine (8) zur Stromerzeugung eintritt, oder der allein im Kessel (5) eintritt und erhitzt wird, danach in die Dampfturbine (8) eintritt und mit anderem Dampf zur Stromerzeugung die Dampfturbine antreibt.
Ein auf der Pyrolyse der Festbrennstoff und der Verbrennung der Halbkokse basierte Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungsverfahren bestehend aus die folgenden Schritte: 1) Festbrennstoffe treten zuerst in die Pyrolysevorrichtung (1) ein, und werden dort zur Erzeugung von Gasen, Flüssigbrennstoffe und feste Halbkokse pyrolysiert; 2) Die gasförmige und flüssige Pyrolyseprodukte werden über die Kühlvorrichtung (2) abgekühlt und abgetrennt, danach jeweils durch entsprechende Reinigungsvorrichtung (3) und Reinigungsvorrichtung (4) entstaubt und entschwefelt, und die Gase oder/und Flüssigbrennstoffe in die Gasturbine (7) zur Stromerzeugung eintreten; 3) Die Halbkokse aus Pyrolyse werden im Kessel (5) verbrennt, um Dampf zu erzeugen, der in der Dampfturbine (8) zur Stromerzeugung eingesetzt werden kann.
Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungsverfahren basierend auf der Pyrolyse der Festbrennstoff und der Verbrennung der Halbkokse nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren noch einen Schritt 4 umfasst, dass das heiße Rauchgas aus der Gasturbine (7) in den Wärmetauscher (6) zur Erzeugung der Dampf eintritt, der auch die Dampfturbine (8) zur Stromerzeugung antreibt.
Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungsverfahren basierend auf der Pyrolyse der Festbrennstoff und der Verbrennung der Halbkokse nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der vom Kessel, worin Halbkokse verbrannt werden, erzeugte Dampf im Schritt 3 und der vom Wärmetauscher erzeugte Dampf im Schritt 4 jeweils in unterschiede Dampfturbinen oder in eine gleiche Dampfturbine zur Stromerzeugung eintreten.
Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungsverfahren basierend auf der Pyrolyse der Festbrennstoff und der Verbrennung der Halbkokse nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der vom Wärmetauscher erzeugte Dampf im Schritt 4 im Kessel eintritt, in dem die Halbkokse verbrannt werden, mit dem Dampf des Kessels vermischt und erhitzt wird und in die Dampfturbine zur Stromerzeugung eintritt, oder der von Wärmetauscher erzeugte Dampf im Schritt 4 allein im Kessel (5) erhitzt wird, in die Dampfturbine (8) eintritt und mit anderem Dampf zur Stromerzeugung die Dampfturbine antreibt.
Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungsverfahren basierend auf der Pyrolyse der Festbrennstoff und der Verbrennung der Halbkokse nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die feste Brennstoffe Kohle, Ölsand, Ölschiefer oder Biomasse umfassen.
Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungsverfahren basierend auf der Pyrolyse der Festbrennstoff und der Verbrennung der Halbkokse nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyse sich auf reine Pyrolyse, Pyrolyse mit teilweise Verbrennung, Pyrolyse mit teilweise Vergasung oder deren verschiedene Kombinationen bezieht.
Hierarchisch-Hybrid-Stromerzeugungsverfahren basierend auf der Pyrolyse der Festbrennstoff und der Verbrennung der Halbkokse nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die flüssigen Brennstoffe im Schritt 2 unmittelbar als Produkt ausgeführt werden.