DE2429993A1 - Verfahren zum erzeugen elektrischer energie - Google Patents

Description

Essen, den 18. 6. 1974 N 4624/11 Dr. Ha/Wi.

c Koppers Gesellschaft mit beschränkter Haftung,

43 Essen, Moltkestrasse 29

Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie in einem kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerk, wobei als Energiequelle Gas verwendet wird, das in einer dem Kraftwerk vorgeschalteten Vergasungsanlage durch Vergasung (Partialoxydation) von Kohle gewonnen wird.

Die bisher übliche Methode zum Erzeugen elektrischer Energie in thermischen, auf Kohle- oder ölbasis arbeitenden Kraftwerken besteht darin, dass die als Energiequelle dienende Kohle oder das Heizöl unter Dampfkesseln verbrannt und der dabei gewonnene Dampf in mit den Stromerzeugern gekuppelten Dampfturbinen entspannt wird. Die in der Kohle bzw. im Heizöl enthaltenen Schwefelverbindungen werden in diesem Falle bei der Verbrennung in Schwefeldioxyd übergeführt, das bei den heute immer schärfer werdenden Umweltschutzbestimmungen nicht mehr ohne weiteres über den Kamin in die Atmosphäre abgelassen werden darf. Die Entfernung dee Schwefeldioxyds aus dem Rauchgas bereitet jedoch, insbesondere bei gross en Kraftwerkeeinheiten, erhebliche Schwierigkeiten, und dieses Problem konnte bisher trotz intensivster Bemühungen auch noch nicht in vollständig befriedigender Weise gelöst werden.

509882/0166

• 18. 6. 1974 N 4624/11

Aus diesem Grunde hat man in neuerer Zeit bereits die Möglichkeit diskutiert, die zur Stromerzeugung verwendete Kohle bzw. das Heizöl zunächst in einer dem Kraftwerk vorgeschalteten Vergasungsanlage durch Vergasung (Partialoxydation) in ein Brenngas umzuwandeln und dieses dann im Kraftwerk als Energiequelle einzusetzen. Bei der Vergasung werden nämlich die im Brennstoff enthaltenen Schwefelverbindungen nicht in Schwefeldioxyd, sondern vor allem in Schwefelwasserstoff übergeführt. Dieser lässt sich jedoch aus dem erzeugten Gas verhältniemäBSig leicht durch geeignete, physikalisch und chemisch wirkende Waschprozesse entfernen, so dass das erzeugte Gas weitgehend schwefelfrei dem Kraftwerk zugeführt werden kann.

Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, die vorstehend kurz beschriebene Verfahrensweise praktisch auszugestalten und ein Verfahren zur Stromerzeugung zu schaffen, das kostengünstig arbeitet. Dabei soll aus Kostengründen die Vergasung der eingesetzten Kohle nicht in Gegenwart von reinem Sauerstoff bzw. von mit reinem Sauerstoff angereicherten Gasen, sondern in Gegenwart von Luft erfolgen. Ferner soll auf eine weitgehende Ausnutzung der anfallenden Prozessabwärme geachtet werden. Ausserdem soll ein möglichst grosser Teil der insgesamt erzeugten elektrischen Energie durch die Gasturbine erzeugt werden. Dabei geht man von der Überlegung aus, dass durch eine Verkleinerung der Dampferzeugung und des damit gekuppelten Anteils der Stromerzeugung

509882/0166

18. 6. 1974 N 4624/11

eine Verringerung des Kühlwaeserbedarfee für die Dampfkondensation herbeigeführt werden kann. Es hat eich nämlich gezeigt, dass heute gerade der KÜhlwasserbedarf bei neu zu errichtenden Kraftwerken ein · wichtiges Problem darstellt.

Die gestellte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art, das erfindungsgemäss durch die Kombination folgender Maesnahmen gekennzeichnet iet :

a) Das als Energiequelle dienende Gas wird durch Gleichstromvergasung

von von getrockneter und feingemahlener Kohle bzw./*Kohlenstaub mit auf eine Temperatur von 300 bis 1 000 ° C vorgewärmter Luft und Wasserdampf gewonnen,

b) das durch die Gleichatromvergasung gewonnene Gas wird in einem Abhitzekesselsyetem unter Erzeugung von Hoch- und Niederdruckdampf bis auf eine Temperatur von 150 big 350 ^β C, abgekühlt, danach gewaschen, auf einen Druck von 5 bis 50 ata verdichtet und entschwefelt,

c) das entschwefelte Gas wird in einer Brennkammer mit auf eine Temperatur von 200 bis 600 ° C vorgewärmter und auf 5 bie 30 ata verdichteter Luft verbrannt,

609882/0166

18. 6. 1974 N 4624/11

d) dae bei der Verbrennung in der Brennkammer anfallende heisee Rauchgas wird unter Auenutzung eeiner fühlbaren Wärme zur Vorwärmung der Vergaeungsluft, zur Dampfüberhitzung eowie zur Hochdruckdampferzeugung bis auf eine Temperatur von 750 bie 1 000 ' C abgekühlt,

e) das auf diese Temperatur abgekühlte Rauchgas wird in einer Gasturbine entspannt, die mit einem Stromerzeuger gekuppelt ist,

f) der im Verfahren anfallende Hochdruckdampf wird in einer Dampfturbine entspannt, die ebenfalle mit einem Stromerzeuger gekuppelt ist und

g) die fühlbare Wärme des aus der Gasturbine austretenden, entspannten Rauchgasee wird zur Vorwärmung der Verbrennungsluft und dee Speisewaeeers sowie zur Trocknung der Kohle benutzt.

Zur weiteren Erläuterung soll der Ablauf des erfindungsgemäseen Verfahrene an Hand dee in der Abbildung dargeetellten Flieesschemae geschildert werden, Der Verfahrensablauf ist dabei im einzelnen wie folgt :

509882/0166

18. 6. 1974 N 4624/11

Die zu vergasende Rohkohle wird über ein Transportband 1 oder eine ähnliche Fördereinrichtung der Kohlenvorbereitungaanlage 2 zugeführt. In der Kohlenvorbereitungsanlage wird die Kohle in einem Arbeite gang in der üblichen Weise bis auf eine Korngrösse von 80 bis 120 M- (Mikron) auf gemahlen und gleichzeitig bis auf eine Restfeuchte von 1 bis 10 Gew. -% HO abgetrocknet. Die Abtrocknung erfolgt mit einem Teil des entspannten Rauchgases, welches hinter der Gasturbine 25 anfällt. Dieses Rauchgas wird der Kohlenvorbereitungsanlage 2 durch Leitung 3 zugeführt. Die Temperatur des Gases in der Leitung 3 kann dadurch eingestellt werden, dass ein Teil desselben direkt aus der Leitung 4 entnommen wird, welche unmittelbar hinter der Gasturbine 25 von der Leitung 28 abzweigt, während der Rest au· der Leitung 32 stammt und bereits in der Vorwärmergruppe 29 eine entsprechende Abkühlung erfahren hat. Durch das Mischen beider Gas β tr ame lassen sich die gewünschten und in Abhängigkeit von der Feuchte der Kohle erforderlichen Temperaturen ohne Schwierigkeiten einstellen. Nach dem Trocknung»- und Mahlvorgang wird das abgekühlte Rauchgas zusammen mit den anfallenden Mahlbrüden durch die Leitung 6 abgezogen und Über einen im Fliessschema nicht dargestellten Kamin in die Atmosphäre abgelassen. Selbstverständlich kann beim erfindungsgemässen Ver*· fahren anstelle von stückiger Kohle auch Kohlenstaub zum Einsatz gelangen, so da·· in diesem Falle eine Aufmahlung in der Kohlenvorbereitungaanlage nicht erforderlich ist. Der Kohlenstaub muss lediglich unter Umständen

509882/0166

18. 6. 1974 N 4624/11

einer gewissen Trocknung unterworfen werden, sofern seine Restfeuchte oberhalb des weiter oben angegebenen Bereiches liegt.

Aus der Kohlevorbereitungaanlage 2 gelangt die feingemahlene Kohle über die Leitung 7 in den Vergaser 8, in dem sie mit entsprechend vorgewärmter Luft einer Gleichstromvergasung unterworfen wird. Bei dem Vergaser 8 kann es sich um eine bewährte Konstruktion wie beispielsweise den Koppers -Totzek-Ver gas er handeln. Das Abhitzekesselsystem 9t in dem das bei der Vergasung erzeugte Gas abgekühlt wird, kann sich unmittelbar an den Vergaser anschliessen. Gegebenenfalls kann es mit diesem sogar zu einer baulichen Einheit zusammengefasst sein. Das Abhitzekesselsystem 9 weist dabei die Abhitzekessel 22 und 40 auf.

Im Abhitzekessel 22 wird Hochdruckdampf und im Abhitzekessel 40 Niederdruckdampf erzeugt. Letzterer kann über die Leitung 41 im erforderlichen Umfange der Vergasungsluft in der Leitung 39 zugemischt werden. Um die erforderliche Abkühlung des aus dem Vergaser 8 austretenden heissen Gases unter den A sehe schmelzpunkt zu gewahrleisten, kann gegebenenfalls die Leitung 52 vorgesehen sein, durch die ein Teilstrom des durch die Leitung 10 strömenden abgekühlten Gases abgezweigt und dem heissen Gas zwischen dem Vergaseraustritt und Abhitzeke β seieintritt zugemischt wird.

509882/0166

18. 6. 1974

N 4624/11

Nach dem Verlassen des Abhitzekesselsystems 9 strömt das vorzugsweise auf etwa 200 * C abgekühlte Gas durch die Leitung 10 zur mechanischen Gasreinigung und weiteren Abkühlung. Diese erfolgt in an eich bekannter Weise in dem Kühlwascher 11. Dem Kühlwascher 11 kann eine Feinreinigung nachgeschaltet sein, welche mit einem Desintegrator und gegebenenfalls Elektrofilter ausgestattet ist. Diese Elemente sind in dem Flieseschema jedoch nicht dargestellt.

Das Gas strömt sodann durch Leitung 12 zum Kompressor 13. In diesem wird es vorzugsweise auf ca. 10 bis 20 ata verdichtet und danach durch Leitung 14 der Entschwefelungsanlage 15 zwecks Auswaschung der gasförmigen Schwefelbestandteile (HS und COS) sowie gegebenenfalls von CO zugeführt. Die Gasentschwefelung erfolgt zweckmässig mit einem bewahrten Absorptions-Re generativ-Verfahr en, wobei die hierfür bekannten Waschmittel eingesetzt werden können. Die ausgewaschenen Gasbestandteile werden durch die Leitung 58 aus dem Verfahren abgezogen.

Das entschwefelte Gas gelangt danach durch Leitung 16 zur Brennkammer 17, in der es mit vorgewärmter Luft verbrannt wird. Die vorzugsweise auf ca. 300 bis 500 ° C vorgewärmte und vorzugsweise auf 8 bis 28 ata verdichtete Luft wird durch die Leitung 18 der Brennkammer 17 zugeführt. Das in der Brennkammer 17 erzeugte heisse Rauchgas hat eine Temperatur von ca. 1 500 " C. Die erforderliche Abkühlung des he is sen Rauchgases

509882/0166

18. 6. 1974 N 4624/11

auf die zwischen 750 und 1 000 * C liegende Eintritte temperatur der Gasturbine 25 wird wie folgt vorgenommen :

Ein Teil der fühlbaren Wärme des heisees Rauchgas es geht in dem Vorwirmer 19 an die Vergasungsluft und wärmt diese vorzugsweise auf ca. 800 * C auf. Die vorgewärmte Vergasungeluft strömt durch Leitung 20 zum Vergaser 8. Ein weiterer Teil der fühlbaren Wärme wird im Dampfüberhitzer 21 zur überhitzung des Hochdruckdampfes genutzt. Dieser wird dabei im Abhitzekessel 22 hinter dem Vergaser und im Kessel 23 erzeugt. Die reetliche fühlbare Wärme des heia β en Rauchgases wird im Kessel 23 abgebaut. Der Vorwärmer 19, der Dampfüberhitzer 21 und der Kessel 23 können dabei wieder zu einer baulichen Einheit zusammengefasst sein, die sich unmittelbar an die Brennkammer 17 anschliesst, so dass alle drei Einrichtungen unmittelbar nacheinander von dem heissen Rauchgas durchströmt werden können. Das entsprechend abgekühlte Rauchgas gelangt anschliessend über die Leitung 24 zur Gasturbine 25. In dieser erfolgt die mit einer Gasabkühlung verbundene leistungsabgebende Entspannung des Gases. Die dabei von der Gasturbine 25 aufgenommene Leistung wird an den Luftkompressor 26 für die erforderliche Verdichtung der Brennluft und an den Stromerzeuger 27 zwecks Erzeugung von elektrischer Energie weitergegeben.

609882/0168

18. 6. 1974 N 4624/11

Das in der Gasturbine 25 entspannte und abgekühlte Rauchgas gelangt durch Leitung 28 zu einer Vorwärmergruppe 29. In dieser wird die fühlbare Wärme des Gases durch den Vorwärmer 30 an die Brennluft und durch den Speisewasservorwärmer 31 an das Speisewasser gegeben. Das so abgekühlte Gas verlässt die Vorwärmer gruppe 29 durch die Leitung 32. Am Ende der Leitung 32 befindet sich das Steuerventil 5, durch das der ankommende Gasstrom in zwei Teilströme zerlegt wird. Der eine Teilstrom gelangt über die Leitung 33 und einen nicht dargestellten Abgaskamin in die Atmosphäre, während der andere Teilstrom über die Leitung 3 zur Kohlevorbereitungeanlage 2 zurückgeführt wird. Die Aufteilung in die beiden Teilströme richtet sich dabei danach, welcher Wärmebedarf in der Kohlevorbereitungsanlage 2 vorhanden ist.

Der Kompressor 26 saugt die erforderliche Brennluft durch die Leitungen 34 und 35 an und drückt sie verdichtet durch Leitung 36 zum Vorwärmer 30. Hier wird sie erhitzt und gelangt durch Leitung 18 zur Brennkammer 17. Die Vergasungsluft wird währenddessen vom Kompressor 37 durch die Leitungen 34 und 38 angesaugt und verdichtet. Sie gelangt durch die Leitung 39, den Vorwärmer 19 und die Leitung 20 zum Vergaser 8. Vor dem Eintritt in den Vorwärmer 19 wird der verdichteten Vergasungsluft über die Leitung 41 im erforderlichen Umfange Wasserdampf zugemischt, der im Abhitzekessel 40 des Abhitzekesselsystems 9 erzeugt

50 9 88 2/0166

18. 6. 1974 N 4624/11

wird. Der in dem Abhitzekessel 22 erzeugte Hochdruckdampf geht über die Leitungen 42 und 43 zum Dampfüberhitzer 21. Der im Kessel 23 erzeugte Dampf gelangt durch die Leitungen 44 und 43 ebenfalls zum Dampfüberhitzer 21. Der aus diesem auetretende überhitzte Dampf geht durch die Leitung 45 zur Dampfturbine 46. Hier erfolgt die leistungsabgebende Entspannung des Dampfes. Die dabei gewonnene Leistung wird von der Dampfturbine 46 an den Stromerzeuger 47 zwecks Erzeugung von elektrischer Energie weitergegeben. Der in der Dampfturbine 46 entspannte Dampf geht über Leistung 57 in den Kondensator 48, in welchem er kondensiert wird. Das dabei anfallende Kondensat gelangt über die Leitung 49 zur Pumpe 50. Diese drückt es durch die Leitung 51 zum Speisewasservorwärmer 31. Von hier aus flies st das wiedererwärmte Kondensat zwecks Wiederverwendung als Speisewasser in die Leitung Von dieser zweigen nacheinander die Leitungen 53, 55 und 56 ab, durch die der Kessel 23 sowie die beiden Abhitzekessel 22 und 40 mit Speisewasser versorgt werden.

Das nachfolgende Verfahrensbeispiel betrifft die Umsetzung von 1000 kg Rohkohle mit folgender Zusammensetzung :

Wasser 8, 00 Gew.-%

Asche	20,00	Il	Il
C	59,36	Il	It
H	4,27	tt	It
S	1.00	• 1	ff
N	0,91	ti	fl
O	6,46	Il	Il

S098B2/0166 ./.

18. 6. 1974 N 4624/11

Diese Kohle wurde in der Kohlenvorbereitungsanlage 2 bis auf eine Restfeuchte von 1,5 % HO getrocknet und gleichzeitig auf eine KorngrOsse von 90 ^ aufgemahlen. Anschliesgend erfolgte im Vergaser 8 die Vergasung bei einer Temperatur von 1 500 ° C und einem Druck von 1, 05 ata. Die erforderliche Vergasungsluft in einer Menge von 3 650 kg wurde mit einer Temperatur von 800 ^β C und einem Druck von 2, 06 ata dem Vergaser zugeführt. Die Vergasungeluft enthielt gleichzeitig 60 kg Wasserdampf. Das im Vergaser 8 erzeugte trockene Gas hatte nach dem Austritt aus dem Abhitzekesselsystem 9 folgende Zusammensetzung :

CO2	4,48	Vol.	"7
CO	23,70	• I	It
H2	9,37	Il	Il
	62,09	M	Il
CH4	0, 10	Il	Il
H2S	0,26	Il	Il

Die anfallende Gasmenge betrug dabei 4 405 kg. Nachdem dieses Gas, wie weiter oben beschrieben, weiterbehandelt worden war, konnten der Gasturbine 25 durch die Leitung 24 heisses Rauchgas mit einer Temperatur von 920 * C und einer Menge von 8 450 kg sowie bei einem Druck von 11 ata zugeführt werden.

Gleichzeitig wurden durch die Leitung 45 der Turbine 46 auf 530 * C überhitzter Wasserdampf in einer Menge von 3 705 kg und einem Druck von 180 ata zugeführt.

509882/0166

18. 6. 1974 N 4624/11

Die mit beiden Turbinen erzeugte Elektrizitätsmenge betrug insgesamt 100 Kilowatt. Davon entfielen ca. 43 % auf die Gasturbine 25, während der Rest durch die mit Dampf betriebene Turbine 46 erzeugt wurde.

Abschliessend sollen die wesentlichen Vorteile des erfindungsgeznässen Verfahrens nochmals in folgenden Punkten zusammengefasst werden :

1. Durch die Vergasung von staubförmiger bzw. feingemahlener Kohle im Gleichstrom kann man praktisch alle vorkommenden Kohlensorten einsetzen, sofern deren Asche gehalt nicht mehr als 50 % beträgt.

2. Ee fallen bei der Gleichstromvergasung keine Destillationsprodukte der Kohlen, wie Teer, Öle, Benzin, Phenole u. s.w., an, die zu Betriebsstörungen in den einzelnen Verfahrensstufen, insbesondere in der Gasturbine, führen können. Es brauchen deshalb keine Anlagen und Einrichtungen zur Behandlung dieser Destillationsprodukte installiert zu werden.

3. Der Kohlenschwefel fällt in Form von gasförmigen Verbindungen (H S und COS) an, die sich relativ einfach aus dem Gas entfernen lassen und die man in bewährten Verfahren zu marktfähigen Produkten weiterverarbeiten kann (Schwefelsäure und elementaren Schwefel).

509882/0166

18. 6. 1974 N 4624/11

4.- Es wird Luft anstelle von Sauerstoff als Vergasungsmedium verwendet. Damit entfallt die Notwenidgkeit, eine teure Luftzerle gangsanlage zur Gewinnung des reinen Sauerstoffes zu installieren.

5. Die Vergasungsluft wird durch das Rauchgas aus der Brennkammer verlustlos auf die erforderliche Temperatur aufgewärmt. Bei separaten Vorwärmern, die durch Gas beheizt werden, kann man dagegen nur mit einem Wirkungsgrad von 80 % rechnen.

6. Durch Verwendung eines Teiles der zwischen der Brennkammer und der Gasturbine anfallenden Wärmemenge für die Vergasung der Kohle wird die Dampferzeugung verkleinert und gleichzeitig das Wärmeangebot an die Gasturbine vergrössert. Hierdurch verschiebt sich das Verhältnis der Energieerzeugung in der Gas- und Dampfturbine zugunsten der Gasturbine. Die gibt ein ei besseren Ge samtwirkungsgrad und führt zu einer Verringerung der Kühlwaeaermenge für die Dampfkondensation.

509882/0166

18. 6. 1974 N 4624/11

Patentansprüche :

l.j Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie in einem kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerk, wobei als Energiequelle Gas verwendet wird, das in einer dem Kraftwerk vorgeschalteten Vergasungeanlage durch Vergasung (Partialoxydation) von Kohle gewonnen wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Maβ «nahmen :

a) Das als Energiequelle dienende Gas wird durch Gleichstromvergasung von getrockneter und feingemahlener Kohle bzw. von Kohlenstaub mit auf eine Temperatur von 300 bis 1 000 ° C vorgewärmter Luft und Wasserdampf gewonnen,

b) das durch die Gleichstromvergasung gewonnene Gas wird in einem Abhitzekesselsystem (9) unter Erzeugung von Hoch- und Niederdruckdampf bis auf eine Temperatur von 150 bis 350 ° C abgekühlt, danach gewaschen, auf einen Druck von 5 bis 50 ata verdichtet und entschwefelt,

c) das entschwefelte Gas wird in einer Brennkammer (17) mit auf eine Temperatur von 200 bis 600 ° C vorgewärmter und auf 5 bis 30 ata verdichteter Luft verbrannt,

509882/0166