DE69226287T2

DE69226287T2 - Verfahren zur energierückgewinnung aus einem brennbaren gas

Info

Publication number: DE69226287T2
Application number: DE69226287T
Authority: DE
Inventors: Lars S-663 02 Hammaroe Stigsson
Original assignee: Kvaerner Pulping AB; Kvaerner Pulping Technologies AB
Current assignee: Chemrec AB
Priority date: 1992-05-29
Filing date: 1992-05-29
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2012-05-30
Also published as: DE69226287D1; BR9306444A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus einem während der Vergasung von Zellstoffablaugen erzeugten Brenngas, wobei die Verbesserung eine Kühizone beinhaltet, in der das Brenngas unter gleichzeitiger Rückgewinnung von fühlbarer Wärme und latenter Wärme in einem oder mehreren Wärmetauschern auf eine Temperatur unter 150ºC abgekühlt wird, und das gekühlte Brenngas zur Verwendung als Brennstoff in einem Rekuperativgasturbinenkreislauf mit Wasser- und/oder Dampfeinspritzung abgeführt wird.

Allgemeiner Stand der Technik

Das Kraft-Verfahren stellt derzeit das dominierende Holzaufschlußverfahren dar. Während des Aufschlusses werden in Form von Schwarzlauge große Mengen an wiedergewinnbarer Energie erzeugt. Weltweit wurden 1990 ungefähr 2,8 Milliarden GJ (780 TWh) Schwarzlauge in Kraft-Zellstoffabriken erzeugt.
Die Kraft-Rückgewinnungsanlage hat zwei Hauptfunktionen:
i) Rückgewinnung und Wiederaufbereitung der anorganischen Kochchemikalien.
ii) Rückgewinnung des Energiewerts des organischen Materials als Betriebsdampf und elektrische Energie.
Der chemische Rückgewinnungsprozeß trägt wesentlich zur Kapitalintensität des Kraft-Verfahrens bei. Etwa 35% der Kapitalkosten einer modernen Zellstoffabrik gehen auf den Rückgewinnungsprozeß zurück.
Als heute vorherrschende Technik zur Rückgewinnung von Chemikalien und Energie aus Schwarzlauge dient der Tomlinson-Rückgewinnungskessel, eine Technologie, die vor gut fünfzig Jahren eingeführt wurde. Zwar hat sich diese Technologie durchgesetzt, die herkömmliche Rück gewinnungstechnologie weist aber dennoch einige wohlbekannten Nachteile auf.
In den meisten Fällen stellt der Rückgewinnungskessel mit dem ihm innewohnenden Mangel an Flexibilität den wichtigsten Produktionsengpaß in der Zellstoffabrik dar. Die kostengünstigere Produktion im größeren Maßstab bedingt Anlagen mit großer Kapazität.
Als weitere Nachteile ergeben sich der niedrige Wärmewirkungsgrad und die Gefahr von Schmelzwasserexplosionen, die wiederum ein Sicherheitsproblem darstellen.
Diese sowie auch andere zu Bedenken Anlaß gebende Bereiche wirken als treibende Kraft zur Entwicklung neuer Verfahren und Prinzipien zur Rückgewinnung von Chemikalien und Energie aus Schwarzlauge. Einen der hoffnungsvolleren Wege stellt die Vergasung der Lauge in Wanderbetten oder Wirbelschichten dar. In manchen Fällen können diese Alternativprozesse als die Kapazität stufenweise steigernde Mittel eingesetzt werden, womit sich die Gelegenheit ergibt, den durch den Rückgewinnungskessel bedingten Engpaß zu beseitigen.
Zu den wichtigsten treibenden Kräften zur Entwicklung neuer Rückgewinnungstechnologie zählt die Verbesserung des Wärmewirkungsgrades zusammen mit höheren Verhältnissen Ausgangsleistung:Dampfleistung. Die vorliegende Erfindung betrifft eine wesentliche Verbesserung auf diesem Gebiet unter Verwendung von sich auf Vergasung und Energiegewinnung in einem Rückgewinnungsgasturbinen kreislauf gründender Technologie.
Die Vergasung von Schwarzlauge kann bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken erfolgen, was zu unterschiedlichen Formen der zurückgewonnenen anorganischen Bestandteile und unterschiedlichen Heizwerten des brennbaren Prozeßgases führt.
Die anorganischen Verbindungen, hauptsächlich Natriumverbindungen, werden unter Bildung einer wäßrigen alkalischen, als Grünlauge bezeichneten Flüssigkeit aufgeschlossen, die zur Herstellung von Kochlauge eingesetzt wird.
Kraftzellstoffabriken erzeugen bedeutende Mengen an Biomassenenergie, und heutzutage sind die meisten Fabriken dazu eingerichtet, den in der Kraft-Fabrik verfügbaren Biomassenbrennstoff zur Deckung des Bedarfs an Dampf und Elektrizität vor Ort durch mit Gegendruckdampfturbinen ausgerüstete kombinierte Kraft- und Heizanlage einzusetzen. Der Bedarf an Elektrizität übersteigt oft die intern erzeugte Leistung, insbesondere bei integrierten Fabriken, und Elektrizität wird oft aus dem Splitt importiert.
Der Bedarf an Betriebsdampf bei einer modernen Kraftzellstoffabrik liegt in der Größenordnung von 10 GJ pro Tonne luftgetrocknetem Zellstoff. Der interne Elektrizitätsbedarfliegt um 600 kWh/t luftgetrocknetem Zellstoff.
Die mit Biomassevergasungs-Gasturbinen ausgerüstete erfindungsgemäße kombinierte Kraft- und Heizanlage deckt den Dampfbedarf der Fabrik und kann gegebenenfalls exportierbare überschüssige Elektrizität erzeugen.
Ausgeübt werden kann die vorliegende Erfindung unter Verwendung verschiedenartiger Gasgeneratoren und Vergasungsprinzipien, beispielhaft in Dokumenten des Standes der Technik dargestellt.
In US-A-4.917.763 und US-A-4.692.209 wird die Vergasung von Zellstoffablauge wie etwa Schwarzlauge beschrieben. Die Vergasungstemperatur liegt im Bereich von 1000-1300ºC, was zur Entwicklung geschmolzener anorganischer Verbindungen und eines Brenngases führt. Abgezogen werden die geschmolzenen alkalischen Chemikalien aus dem Gasstrom in einer Kühl- und Schnellabkühlstufe, wo eine wäßrige Lösung im Gasdampf versprüht wird. Die als Produkt anfallende alkalische Lsung wird auf unter 200ºC abgekühlt.
Das Brenngas dient zur Erzeugung von Dampf oder als Synthesegas.
Eine weitere Vergasungstechnik wird in US-A-4.808.264 beschrieben, wo die Rückgewinnung und Energie aus Schwarzlauge in drei klar unterschiedenen und getrennten Schritten erfolgt, während im ersten Schritt die Vergasung von konzentrierter Schwarzlauge durch Flashpyrolyse bei 700 bis 1300ºC in einem Druckvergasungsreaktor erfolgt, der die anorganischen Chemikalien der Schwarzlauge als geschmolzene, suspendierte Tröpfchen enthält.
Die Gewinnung von Energie aus dem dabei gebildeten Prozeßgas zur Erzeugung von Dampf und/oder elektrischer Energie erfolgt in einem Gasturbinen/Dampfturbinen- Zyklus. Die Dampfturbine ist eine solche des Gegendrucktyps, der vorzugsweise dem Bedarf an Betriebsdampf für die Fabrik entsprechend gewählt wird.
In WO-A-91/15665 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Elektrizität und Dampf aus einem Schwarzlaugendruckvergasungsprozeß beschrieben. Die Rückgewinnung von Energie erfolgt in einer Gasturbinen- /Gegendruckdampfturbinenanlage. In der Fabrik erzeugter überschüssiger Dampf wird in die Gasturbine oder deren Kombustor zurückgeführt, um mehr Elektrizität zu erzeugen. Diese Technik ist in der Industrie als Dampfinjektionsgasturbine, nachstehend als DIGT bezeichnet, bekannt.
Gemein haben US-A-4.808.264 und WO-A-91/15665, daß beiden die Energiegewinnung unter Verwendung eines kombinierten Zyklus einschließlich einer Gegendruckdampfturbine zugrundeliegt.
Diese Anlagen weisen einen ziemlich hohen Wärmewirkungsgrad auf, sind jedoch mit den hohen Kapitalkosten der Dampfturbine und des Abwärmedampfgenerators behaftet. Die elektrische Leistung einer Kondensationsdampfturbine in einem kombinierten Zyklus beträgt oft weniger als ein Drittel der gesamten Ausgangsleistung und noch beträchtlich weniger bei Gegendruckturbinen.
Ein nachgeschalteter Dampfzyklus wie bei diesen Erfindungen weist eine von Natur aus hohe thermodynamische Irreversibilität auf, da die Verdunstung von Wasser bei konstanter Temperatur erfolgt, während die Freisetzung von Wärme bei unterschiedlichen Temperaturen geschieht, was zu niedrigeren Wärmewirkungsgraden führt.
Anlagen zur Vergasung von Schwarzlauge und gleichzeitiger Wärmerückgewinnung sind auch in US-A-4.682.985 sowie US-A-4.753.068 beschrieben. Auch diesen Anlagen liegt die Vergasung der Schwarzlauge und die Verbrennung der Brenngase zugrunde, wodurch Wärmeenergie entwickelt wird, die zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt werden kann und als fühlbare Wärme zu Heizzwecken in verschiedenen Teilen der Anlage zum Einsatz kommen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur rationelleren und weniger kapitalintensiven Erzeugung von elektrischer Energie und Betriebsdampf aus der Vergasung von Schwarzlauge zur Verfügung zu stellen, bei dem ein Rückgewinnungsgasturbinenzyklus eingesetzt wird, der einem Gasschnellkühler- und Wärmeaustauschsystem nachgeschaltet ist, wo das heiße Prozeßgas aus der Vergaserreaktionszone auf eine Temperatur unter 150ºC abgekühlt wird, wobei gleichzeitig fühlbare und latente, zur Erzeugung von Dampf für den fabrikinternen Gebrauch übertragene Wärme zurückgewonnen wird.
Eine erhebliche Menge an fühlbarer Wärme läßt sich auch aus heißen Flüssigkeiten wie Schnellabkühlflüssigkeiten, Kondensaten und Kühlmitteln gewinnen, die aus oder innerhalb der Schnellabkühlzone und/oder den Wärmeaustauschzonen abgezogen werden.
Die Zurückgewinnung von latenter und fühlbarer Wärme kann in verschiedenartigen Vorrichtungen einschließlich Wärmeaustauschdampfgeneratoren, Kesselspeisewassererhitzern und Wärmepumpen erfolgen.
In einem bestimmten Ausführungsbeispiel wird latente und/oder fühlbare Wärme in den Gas- und/oder Flüssigkeitsströmen unter Verwendung einer umgekehrten Absorptionswärmepumpe zurückgewonnen, in der ein wärmeabsorbierendes Mittel wie zum Beispiel Natronlauge zur Wärmeübertragung dient.
Das gekühlte brennbare Prozeßgas wird einer Gasturbinenanlage zugeführt, in welcher der als Wärmeverdünnungsmittel und Arbeitsmittel dienende Luftüberschuß teilweise oder ganz durch Wasserdampf ersetzt wird.
Gasturbinen sind gegenüber Verunreinigungen im eintretenden Gasstrom äußerst empfindlich, insbesondere gegenuber Schwefeloxiden und Alkalisalzen. Damit schädliche Auswirkungen auf Turbomaschinen vermieden werden, müssen die Gase im wesentlichen frei von diesen und anderen Verunreinigungen sein, insbesondere wenn das Gas als Brennstoff in einem Innenfeuerungs-Gasturbinenzyklus eingesetzt wird. Es ist daher wichtig, daß bei der vorliegenden Erfindung eine wirksame Gasreinigung erfolgt, insbesondere hinsichtlich Natrium, da Natrium eine dominierende anorganische Verbindung in Zellstoffablaugen ist.
Zu bemerken ist dazu, daß im wesentlichen alle verdampften Natriumverbindungen und Natriumteilchen im Schnellabkühlgaskühler und in der Waschanlage gemäß der vorliegenden Erfindung entfernt werden. Der Sättigungsdampfdruck der betreffenden schädlichen Komponenten ist bei Temperaturen unter 200ºC sehr niedrig.
Gegebenenfalls kann das Prozeßgas gefiltert oder können Natriumverbindungen an einem geeigneten nichtflüchtigen anorganischen Sorbens wie etwa einem Aluminosilikat sorbiert werden, bevor das Gas in den Gasturbinenkombustor eintritt. Zeolite können als Filter oder als Sorptionsoberfläche zur Abtrennung von Alkali eingesetzt werden.
Eine Möglichkeit, diesem Problem ganz auszuweichen, besteht darin, das Prozeßgas als Brennstoff in einem Außenfeuerungs-Gasturbinenzyklus einzusetzen, was eine weitere mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wie noch nachstehend beschrieben wird.
Wenngleich Gasturbinenzyklen inhärente thermodynamische Vorteile aufweisen, sind Gasturbinenanlagen mit einfachem Zyklus auch mit einigen wohlbekannten Nachteilen behaftet, wie etwa die große parasitäre Kühlluftbelastung des Systems zur Senkung der Turbineneintrittstemperatur.
Überdies enthält das Abgas aus der Gasturbine eine große Menge an fühlbarer Wärme, und beim Ausstoß in die Atmosphäre werden große Mengen an potentieller Nutzenergie verschwendet. Diese Abwärme kann jedoch auf verschiedene Weise genutzt werden, zum Beispiel zur Erzeugung von Dampf in einem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (WRDG), der unmittelbar oder in einer kombinierten Kraft- und Heizdarstellung für Prozeßbedürfnisse eingesetzt werden kann, oder um eine höhere Leistung in einer Kondensationsdampfturbine zu erzeugen. Angesichts der stark größenabhängigen Wirtschaftlichkeit von Dampfturbinenzyklen und anderen hier beschriebenen Faktoren stellen kombinierte Gasturbinen/Dampfturbinenzyklen, die auf technischen Hochleistungsturbinen fußen, nicht die erste Wahl für Anwendungen in den verhältnismäßig bescheidenen Maßstäben bei der Schwarzlaugenvergasung dar.
Eine weitere Technik, den Wärmeinhalt von Turbinenabgas zu nutzen, besteht darin, Heißdampf auf zumachen, der im Kreislauf geführt und in den Kombustor der Verbrennungsturbine eingeblasen wird, siehe z. B. US-A-3.978.661. Die Dampfinjektion bei mit Biomassenvergasungs-Gasturbinen ausgerüsteten kombinierten Kraft- und Heizanlagen zur Verwendung in der Forstproduktindustrie wird beispielsweise in PU/CEES Working Paper Nr. 113 von Dr. Eric Larson, Princeton, Februar 1990 beschrieben.
Noch eine weitere Technik zur Nutzung des Turbinenabgases besteht darin, die aus dem Kompressor austretende Luft gegen das Motorabgas in einem Rekuperativwärmetauscher vorzuwärmen und gleichzeitig während der Kompression der Luft mit Zwischenkühlung zu arbeiten. Durch das Einspritzen von Wasser in einem Rekuperativzyklus kann der Wirkungsgrad weiter verbessert werden.
Das Prinzip der Wassereinspritz-Rekuperativgasturbinenzyklen ist schon früher beschrieben worden, beispielsweise in US-A-2.869.324 sowie US-A-4.537.023, und in der Literatur; Gasparovic N., "Gasturbines with heat exchanger and water injection in the compressed air" [Gasturbinen mit Wärmetauscher und Wassereinspritzung in der Druckluft], Proc. Instn. Mech. Engrs., Band 185, 1971.
Ein großer Nachteil von Direktfeuerungs-Gasturbinenzyklen wie den beispielhaft in den vorstehenden Dokumenten des Standes der Technik beschriebenen ist die hohe Empfindlichkeit gegenüber der Treibgasqualität.
Indirektfeuerungs- oder Außenfeuerungs -Gasturbinenzyklen sind erheblich weniger empfindlich und können mit Treibstoffen etwa derselben Qualität wie Dampfgeneratoren arbeiten.
Indirekte Zyklen, wie sie derzeit für Kohlevergasungsanwendungen entwickelt werden, sind mit verschiedenartigsten herkömmlichen Vorrichtungen vereinbar. Technisch hochentwickelte Kombustoren und Hochtemperaturwärmetauscher sind im Handel erhältlich oder stehen in der Entwicklung.
Die Rückführung von Gichtgas, um die gesamte Zyklusluft zur Verbrennung einzusetzen, kann bei indirekten Zyklen Vorteile bieten, da so NOx-Emissionen möglichst klein gehalten und Kapitalkosten gesenkt werden.
Wie nachstehend noch zu erläutern sein wird, stellt die Verwendung eines Indirektfeuerungs-Gasturbinenzyklus zusammen mit Befeuchtung von Druckluft durch Einspritzen von Wasser eine günstige Alternativausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Die Ausübung der vorliegenden Erfindung sei anhand beigefügter Beschreibung, Beispiele und Abbildungen mit Bezug auf die Rückgewinnung aus Schwarzlauge beschrieben. Man sollte sich aber darüber im klaren sein, daß die Erfindung auch der Rückgewinnung anderer Zellstoffablaugen dienen kann, wie etwa Sulfit- oder Sodakochablaugen.
Gelöst worden sind die vorstehend erwähnten Probleme durch die vorliegende Erfindung wie in Anspruch 1 beschrieben, die ein Verfahren mit einem Rindenkocher zur Rückgewinnung von Energie betrifft, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte der:
(1) Kühlung des aus der Schnellabkühlzone oder Kontaktierzone austretenden Brenngasstroms, indem der Gasstrom mindestens einer Wärmeaustauschzone zugeführt wird, wo das Gas durch Wärmeaustausch mit mindestens einem Kühlmittel auf eine Temperatur im Bereich von 30- 180ºC gekühlt wird;
(2) Komprimierung von Luft auf einen vorgegebenen Druck;
(3) Abzapfung von Druckluft aus dem Druckluftstrom zum Einsatz als Oxidationsmittel im Gasgenerator;
(4) Entziehung von Wärme aus dem Abgas der Gasturbine durch indirekte Wärmeübertragung auf das Brenngas.
Weitere Einzelheiten des Verfahrens werden in den Unteransprüchen von Anspruch 1 angeführt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung sei anhand der beigefügten Abbildungen erläutert, wobei:
Fig. 1 eine Vorzugsausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung offenbart, und
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anordnung zur gleichzeitigen Erzeugung von 12 Dampf offenbart.

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

Bei dem vorliegenden Verfahren wird eine kohlenwasserstoffartiges Material und anorganische Natriumverbindungen enthaltende Zellstoffablauge mit einem sauerstoffhaltigen Gas in einem Freistromgasgenerator A umgesetzt und so ein Brenngas erzeugt. Der Gasgenerator arbeitet bei einer Reaktionszonentemperatur zwischen 700-1500ºC und bei einem Druck von 1-100 Bar.
Der heiße, aus dem Gasgenerator ausströmende Gasstrom wird durch direkten Kontakt mit einer wäßrigen Flüssigkeit in einem Schnellkühler 1 rasch abgekühlt, siehe Figur 1. Die Kühlung ergibt sich größtenteils aus der vollständigen oder teilweisen Verdunstung der wäßrigen Schnellabkühlflüssigkeit. Die Temperatur des ausströmenden Gases 2 und der Schnellabkühlflüssigkeit 3 wird durch den gewählten Arbeitsdruck des Gasgenerators bestimmt und entspricht der Temperatur von gesättigtem Wasserdampf bei diesem Druck.
Ein Großteil der fühlbaren Wärme in dem heißen ausströmenden Gas wird daher absorbiert und auf Wasserdampf übertragen. Das gesättigte Gas verläßt die Schnellabkühlanlage mit einer Temperatur im Bereich von 60-220ºC und einem Druck im Bereich von 1 bis 100 Bar, vorzugsweise mit dem gleichen Druck wie im Gasgenerator minus den Druckabfall bei der Schnellabkühlung.
Das Brenngas wird dann in einem oder mehreren Wärmetauschern 4 weitergekühlt, unter gleichzeitiger Erzeugung von Betriebsdampf 5 und/oder Heißwasser.
Der Dampfbedarf der Fabrik wird so großteils wenn nicht sogar vollständig durch die Wärmeaustauschdampfgeneratoren der Kühlanlage gedeckt. Eine nachgeschaltete Gasturbinenanlage E kann daher für die Energieerzeugung optimiert werden.
Das bei der Kühlung entstehende, möglicherweise Natriumverbindungen enthaltende Kondensat 6 wird aus dem Prozeßgas abgezogen und mit anderen wäßrigen Flüssigkeiten vermischt, wodurch Grünlauge 7 zum Einsatz bei der Herstellung von Kochlauge gebildet wird.
Eine weitere Kühlung des aus den Wärmetauschern ausströmenden Prozeßgases erfolgt durch Waschen B mit einer wäßrigen Flüssigkeit 8, wodurch sich eine noch bessere Abtrennung mitgerissener Natriumdämpfe ergibt.
Das so gebildete gereinigte Brenngas 9 weist eine Temperatur zwischen 20 und 150ºC und einen im wesent lichen dem Druck im Gasgenerator gleichen Druck auf. Das Gas ist gesättigt, und der Wasserdampfpartialdruck entspricht der Temperatur und dem Gesamtdruck.
Eine weitere Gasreinigung und Natriumabtrennung kann gegebenenfalls durch nachfolgendes Filtern oder nachfolgende Elektroabscheidung erfolgen.
Der Heizwert des Prozeßgases hängt von der Art und Menge des im Gasgenerator eingesetzten Oxidationsmittels ab. Die Verwendung von Luft als Oxidationsmittel hat zur Folge, daß etwa die Hälfte des Produktgases aus Sauerstoff besteht, wodurch sich ein Gas mit einem ziemlich niedrigen Heizwert ergibt.
Nach Überlegungen hinsichtlich der Gesamtenergiebilanz und der Kapitalkosten bringt die Verwendung von technischem Stickstoff als Oxidationsmittel zur Vergasung von Schwarzlauge gemäß der vorliegenden Verbindung wenig oder nichts, trotz der höheren Qualität des Produktgases.
Das gereinigte Produktgas aus der Schwarzlaugenvergasung mit Lufteinblasung weist einen Heizwert im Bereich von 3,5-5 MJ/Nm³ auf.
Nach letztmaligem Kühlen und Waschen wird die Temperatur des Prozeßgases durch Wärmeaustausch mit heißer umlauf ender Grünlauge und/oder umlauf endem Kompressorzwischenkühl-Kühlmittel 10 und/oder Gasturbinenabgas 11 erhöht.
Das vorerwärmte gereinigte Brenngas wird danach als Treibstoff in einer Gasturbinenanlage mit einem Kompressor C, einem Kombustor D und einer Gasturbine E eingesetzt.
Um das erfindungsgemäße Ziel bezüglich der Energieerzeugung zu erreichen, wird der Massenstrom durch die Turbine erhöht, indem Wasser oder Dampf in die in den Kombustor eintretenden gasförmigen Ströme oder vor der Entspannung in der Gasturbine eingespritzt wird und indem die gasförmigen Ströme durch Wärmeaustausch mit Gasturbinenabgas vorgewärmt werden.
Ein kennzeichnendes Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in der Verwendung von Rekuperatoren F, durch die ein Großteil der Turbinen- oder Kombustorabgasenergie zum Vorwärmen von Kompressorabluft und/oder Treibgas vor dem Kombustor wiederverwertet wird.
Außerdem ergibt sich durch Kompressorzwischenkühlung eine wesentlich verbesserte Leistung bei Rekuperativzyklen, da sich die Kompressorarbeit verringert und durch Zwischenkühlung verlorene Wärmeenergie durch Gewinnung von zusätzlicher Wärme aus den Abgasen im Rekuperator ausgeglichen wird.
In einer Vorzugsausführungsform wird der Druckluftstrom nach dem Komprimieren durch Zugabe von Wasser 12 zu dem Luftstrom in einem Anfeuchtungsturm G gekühlt in dem das eingespritzte Wasser vollständig oder teilweise verdunstet. Der Taupunkt bestimmt dabei die maximale Wasserzugabe. In einem nachfolgenden Rekuperator wird die feuchte Druckluft durch Wärmeaustausch mit Gasturbinenabgas erwärmt.
Die maximale Wärme wird dann aus dem Abgas zurückgewonnen, wenn die Temperatur der Luft am Einlaß des Rekuperators gleich der Temperatur des Taupunkts ist. Die Regenerierung durch Verdunstung erfolgt in einem oder mehreren Schritten mittels Anfeuchtungstürmen vor den Rekuperatoren. Eine andere Ausführungsform besteht darin, einen Verdunstungsnachkühler nach dem Kompressorauslaß anzuordnen, gefolgt von einem Wassereinspritz-Verdunstungsrekuperator.
Durch derartiges Einspritzen von Wasser in den Druckluftstrom erreicht man zumindest zwei Ziele. Durch den sich so ergebenden höheren Massenstrom durch die Gasturbine wird die Ausgangsleistung erhöht und die parasitäre Luftkompressionsbelastung verringert.
Ferner ergeben, indem Wasser in die Druckluft eingespritzt wird, die niedrigere Temperatur und höhere Wärmekapazität des Fluids günstigere Wärmeaustauschbedingungen hinsichtlich des Thrbinen- oder Kombustorabgases.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß Druckluft als Oxidationsmittel zum Betrieb des Gasgenerators zur Verfügung gestellt wird. Der geringere Bedarf an Kühlluft als Verdünnungsmittel in der erfindungsgemäßen Gasturbine ermöglicht es, die gesamte zur Vergasung benötigte Luft zur Verfügung zu stellen.
Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß damit Niedertemperaturwärme aus den ausgestoßenen Rauchgasen 20, dem Kompressorzwischenkühler 13 oder aus dem Vergasungsprozeß genutzt werden kann oder Niedertemperaturwärme aus anderen Teilen der Fabrik genutzt werden kann, um zur Verdunstungskühlung der Druckluft und/oder des Treibgases eingesetztes Wasser vorzuwärmen und so den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern.
Ein großer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in ihrer Einfachheit. Der gesamte nachgeschaltete Zyklus eines kombinierten Zyklus fällt weg, was zu niedrigeren Kapitalkosten bei gleicher Stromleistung führt. Rekuperatoren und Befeuchter bereitet weder in der Auslegung noch im Betrieb wesentliche Schwierigkeiten.
Ein Nachteil bei Wasser- oder Dampfeinspritzzyklen ist, daß in den Befeuchter eingebrachtes Wasser verlorengeht, wenn kein Verfahren zur Rückgewinnung des Dampfes aus dem Abgas zum Einsatz kommt. Bei Gasturbinenanlagen mit Verdunstungswiedergewinnung liegt der Wasserverbrauch zur Befeuchtung in der Größenordnung von 0,1-0,8 kg Wasser je kwh an Energie und beträgt bei DIGT-Anlagen mit gutem Leistungsgrad etwa das Doppelte. In beiden Fällen ist eine Aufbereitung des Wassers auf Kesselspeisewasserqualität erforderlich.
Der erfindungsgemäße Gasturbinenzyklus läßt sich mit einer Anlage zur Erzeugung von zum Einspritzen vorgesehenem enthärtetem Wasser integrieren. Aufbauen könnte eine derartige Enthärtungsanlage auf verschiedene aus der Meerwasserentsalzungsindustrie bekannte Grundsätze.
Auf Destillationsverfahren beruhende Enthärtungsanlagen wird zum erfindungsgemäßen Einsatz der größte Vorzug gegeben, da mit ihnen eine unmittelbare Nutzung von Wärme aus dem Abgasstrom oder aber die Nutzung von überschüssigem Dampf oder Niedertemperaturwärme aus anderen Teilen der Fabrik möglich ist.
In einer weiteren Vorzugsausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zur Rückgewinnung von fühlbarer und latenter Wärme aus dem Brenngasstrom und/oder aus der Schnellabkühlzone und/oder Wärmeaustauschzone abgezogenen alkalischen Laugen Wärmepumpen eingesetzt. Besonders günstig ist der Einsatz von Wärmepumpen, wenn der Vergasungsdruck unter etwa 10-15 Bar liegt, da trotz der niedrigeren Sättigungstemperatur in den Gasströmen und niedrigerer Temperatur in den aus der Schnellabkühlzone abgezogenen Flüssigkeitsströmen die Erzeugung von Nutzdampf in einem Druckbereich von 2-10 Bar möglich ist.
Wird die vorliegende Erfindung bei niedrigeren Vergasungsdrücken, etwa unter 10-15 Bar, ausgeübt, so gewinnt der Einsatz eines nachgeschalteten Indirektfeuerungs -Gasturbinenzyklus an Attraktivität gegenuber Direktfeuerungsanlagen. Der Wirkungsgrad von Indirektfeuerungsanlagen sind weitgehend unabhängig vom Treibgasdruck.
Bei dem Indirektfeuerungszyklus wird das Treibgas in einem Kombustor in Gegenwart von Gasturbinenabgas verfeuert, und Kombustorabwärme wird zum Vorwärmen von angefeuchteter Druckluft gewonnen, die als Treibfluid in der Gasturbine dient. Der Einsatz von Hochgußkeramik wie Schmelz-/Quarz-Massen als Wärmetauschoberfläche ermöglicht ein Vorwärmen von Luft im Bereich von etwa 1000ºC und mehr. Als ein offensichtlicher Vorteil des Indirektzyklus ergibt sich die geringere Empfindlichkeit gegenüber der Treibgasqualität.
Durch das Einspritzen von Wasser in die Druckluft oder das Treibgas, wie es in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erfolgt, wird die adiabatische Flammentemperatur im Kombustor gesenkt, dieser Effekt wirkt sich aber kaum aus, solange die Verbrennung stabil ist. Eine höhere Feststoffbeladung der eingespeisten Schwarzlauge wirkt diesem Effekt entgegen, weil dadurch der Treibgasheizwert und die adiabatische Flammentemperatur erhöht werden.
Der mittlere Wasserdampfpartialdruck im Turbinenabgasstrom gemäß der vorliegenden Erfindung liegt um 5-25% des Gesamtdrucks.
Zu bemerken ist dazu auch, daß die vorliegende Erfindung umweltfreundlich ist, da sich durch das Einspritzen von Wasser oder Dampf in einer Gasturbinenanlage eine niedrigere Spitzenflammentemperatur im Kombustor bei vorgegebenen Turbineneinlaßtemperaturen ergibt. NOx-Emissionen sinken im allgemeinen exponentiell mit zunehmender Wärmekapazität der feuchten Verbrennungsluft und/oder des Treibgases. Auch übt Wasserdampf in kleineren Mengen katalytische Wirkung auf die Zersetzung von Kohlenwasser stoffen aus und führt zu einer Verringerung von Kohlenmonoxidemissionen auf ein Minimum.

Beispiele

Beispiel I (Figur I)

Eine Kraft-Handelszellstoffabrik produziert 1070 Tonnen/Tag gebleichten Zellstoff und erzeugt dabei einen Schwarzlaugestrom von 1662 Tonnen/Tag als Trockensubstanz. Der interne Dampfbedarf der Fabrik beläuft sich auf 112 Tonnen an Wasserdampf mit 5 Bar und 36 Tonnen an Wasserdampf mit 13 Bar pro Stunde. Der Elektrizitätsverbrauch in der Fabrik beträgt 600 kwh/Tonne Zellstoff oder 642 MWh/Tag (26,75 MW). Schwarzlauge wird in einen schwebebettvergaser eingespeist, der mit einer Verdunstungsrückgewinnungsgasturbinenanlage zwecks Energierückgewinnung integriert ist.
Die Schwarzlauge weist am Vergasereinlaß die folgenden Daten auf:
Trockensubstanz 78%
Temperatur 170ºC
Oberer Heizwert 14,8 MJ/kg TS
Durchsatz 19,24 kg TS/s
Der Vergaser arbeitet mit einem Druck von 25 Bar und einer Reaktionszonentemperatur von 950ºC.
Aus dem Gasturbinenkompressor (14) wird Luft abgezapft und als Oxidationsmittel im Gasgenerator eingesetzt. Die Temperatur und der Druck der Luft aus dem Gasturbinenkompressor werden durch einen Zusatzkompressor erhöht.
Das Prozeßgas aus dem Vergaser wird durch Wärmeaustausch in zwei indirekten Wärmetauschern gekühlt, wobei 112 Tonnen Wasserdampf von 5 Bar pro Stunde und 7 Tonnen Wasserdampf von 2 Bar pro Stunde für den Export in die Fabrik erzeugt werden. Eine weitere Kühlung des Gases erfolgt durch Waschen in einem Gegenstromsprühwäscher.
Das gereinigte Prozeßgas aus dem Wäscher hat eine Temperatur von 40ºC und einen Druck von 23 Bar. Das Gas hat folgende Zusammensetzungen:
CO 17,2%
H&sub2; 18,7%
CO&sub2; 11,0%
H&sub2;O 0,3%
N&sub2; Rest
Der Heizwert des Gases beträgt 4,2 MJ/Nm³ (UHW).
Das Prozeßgas wird aus dem Vergaser/Wäscher abgeführt und als Brennstoff in einer Rekuperativgas turbinenanlage verwendet.
Nach dem Waschen wird die Prozeßgastemperatur durch Wärmeaustausch mit Heißwasser (10) aus dem Kompressorzwischenkühler (13) auf 130ºC erhöht, und das Gas in einem Rekuperativwärmetauscher durch Gasturbinenabgas weiter auf 450ºC vorgewärmt, bevor es in den Gasturbinenkombustor gelangt.
Kesselspeisewasser (10) wird im Kompressorzwischenkühler von 30ºC auf 145ºC vorgewärmt und zur Vorwärmung von Brenngas und teilweise als Einspritzwasser in dem Befeuchter und als Kesselspeisewasser genutzt. überschüssiges Wasser (15) wird als Rindenkocherspeisewasser eingesetzt. Ein Kesselspeisewasserstrom (18) aus dem Gasvorwärmer (16) wird durch indirekten Wärmeaustausch (21) mit Grünlauge aus dem Vergaser/Wäscherkreislauf von 125ºC auf 160ºC vorgewärmt.
Ein weiterer Kesselspeisewasserstrom wird zum Befeuchter in Leitung (12) gepumpt (19).
Die Zugabe von Frischwasser erfolgt in Leitung (17).
Schließlich wird der Gasturbinenabgasstrom aus der Gasturbinenanlage und den Rekuperatoren durch Leitung (20) ausgeblasen.
Nachstehend sind die wichtigsten Auslegungskriterien des Gasturbinenzyklus angeführt:

Wirkungsgrad

Adiabatischer Wirkungsgrad des Kompressors = 0,89
Adiabatischer Wirkungsgrad der Turbine = 0,91
Wirkungsgrad des Generators = 0,99

Zustand der Umgebungsluft am Kompressoreinlaß (22)

Temperatur 15ºC
Druck 1,033 atm
Relative Luftfeuchtigkeit 60%

Treibstoff (23)

Gereinigtes Prozeßgas aus der Vergasung von Schwarzlauge.
Temperatur 450ºC
Heizwert 4,2 MJ/Nm³ (UHW)

Abgezapfte Luft aus dem Kompressor zum Vergaser (14)

Temperatur 290ºC (nach Zusatzkompressor)
Menge 26,6 Nm³/s

Gasturbineneinlaßbedingungen

Druck 15 Bar
Temperatur 1100ºC

Einspritzwasser

Temperatur 125ºC
Menge 7 kg/s

Verschiedenes

Angenommen wird eine Mindesttemperaturdifferenz von 20ºC zwischen Heizfluiden und erwärmten Fluiden in den Rekuperatoren.
Verbrennungswirkungsgrade und mechanische Wirkungsgrade werden mit 1,0 angesetzt.
Hilfsenergie wird als vernachlässigbar angesetzt.
Keine Vorsorge getroffen wird für zusätzliche Gasturbinenkühlung.
Der Energieverbrauch im Luftzusatzkompressor beträgt 3,3 MW (Wirkungsgrad 0,8).

Ergebnis

Nettoleistung 85,9 MW
Nettoenergieausbeute 32%
Wärmewirkungsgrad 65%
Temperatur im Rauchgas nach dem Rekuperator 200ºC
Abgasmenge 163 Nm³/s
Wasserdampfgehalt im Rauchgas 10,8%
Sauerstoffgehalt im Turbinenabgas 10,9%

Beispiel II Figur II)

In einem Schwarzlaugenvergaser erzeugtes Prozeßgas wird durch Wärmeaustausch gekühlt und weiterhin in einem Wäscher auf eine Temperatur von 40ºC abgekühlt, wobei 86 Tonnen Wasserdampf von 5 Bar und 27 Tonnen Wasserdampf von 2 Bar pro Stunde zur Verwendung in der Fabrik zurückgewonnen werden. Weitere einschlägige Daten wie in Beispiel I.
Das gereinigte, gekühlte Prozeßgas wird in einem Wärmetauscher (24) auf 300ºC vorgewärmt und dann in einem Gegenstrom-Mehrstufensattiger angefeuchtet, wobei die Gastemperatur auf 131ºC gesenkt wird. Danach wird das gesättigte Prozeßgas in einem Wärmetauscher durch Wärmeentzug aus dem Gasturbinenabgas vorgewärmt. Die Temperatur des in den Gasturbinenkombustor eintretenden Prozeßgases beträgt 450ºC.
Eingesetzt wird die Gasturbinenabwärme zum Wärmeaustausch mit eintretendem Treibgas in zwei Rekuperatiwärmetauschern und zur Erzeugung von 34 Tonnen Wasserdampf von 12 Bar pro Stunde in einem Abwärmekessel. (25)
Eine Kompressorzwischenkühlung kommt in diesem Zyklus nicht zum Einsatz, und die Wärme im Kompressorabgas wird unmittelbar auf den Kombustor übertragen.
Ein Teil der Heißluft aus dem Kompressor wird abgezapft und zum Einsatz als Vergaseroxidationsmittel zurückgeführt. (26)

Ergebnis

Nettoleistung 76,6 MW
Nettoenergieausbeute 28%
Wärmewirkungsgrad 69%
Temperatur im ausgeblasenen Rauchgas 210ºC
Wasserdampfgehalt im Rauchgas 9,2%
Sauerstoffgehalt im Turbinenabgas 11,8%

Zusätzliche Ausführungsformen

Das aus den Rekuperatoren kommende Turbinenauslaßrauchgas enthalten immer noch eine beträchtliche Wärmemenge, allerdings bei niedriger Temperatur. Diese Wärme kann beispielsweise zur Erzeugung von Niederdruckdampf genutzt werden. Angesichts des verhltnismäßig hohen Wassergehalts im Rauchgas kann auch eine Kondensationswärmerückgewinnung von Vorteil sein.
Bei einer Kondensationswärmerückgewinnungsanlage wird die Temperatur des Rauchgases unter den Wasserdampftaupunkt gesenkt, was Kondensation zur Folge hat. Bei der zurückgewonnenen Wärme handelt es sich sowohl um fühlbare als auch latente Wärme, wobei letztere den größeren Beitrag liefert. Die gleiche Energiemenge oder noch mehr kann durch Rauchgaskondensationswärmerückgewinnung in Dampfinjektionsgasturbinenzyklen zurückgewonnen werden.
Ein weiterer potentieller Vorteil der Kondensationsrauchgaswärmerückgewinnung liegt darin, daß damit verhältnismäßig reines Wasser gewonnen werden kann, das als Kreiswasser und als Einspritzwasser oder -dampf eingesetzt werden kann.
Bei der modernen Kraft-Fabrik sind Kessel oder Vergaser mit Schnitzel- und/oder Rindenfeuerung vielfach integriert. Andere Fabriken wieder verfügen über Erdgas, das verschiedenen Zwecken dient, etwa als Kalkofenbrennstoff.
Die vorliegende Erfindung kann zusammen mit der Verbrennung anderer in der Fabrik verfügbarer gasförmiger oder flüssiger Kohlenwasserstoffbrennstoffe ausgeübt werden. Beispielsweise kann zusätzliches Erdgas oder Biogas in einem Vorbrenner im Druckluftstrom oder am Gasturbinenkombustor verfeuert werden, wodurch die Gasturbineneinlaßtemperatur und die Ausgangsleistung gesteigert werden.
Das gleiche Ziel kann man erreichen, indem das Brenngas aus dem Vergaser mit einem anderen kohlenwasserstoffartigen Brennstoff vermischt wird.
Eine weitere Technik zur Erhöhung der Ausgangsleistung bei der vorliegenden Erfindung besteht darin, an verschiedenen Orten Dampf in den Kombustor oder die Gasturbine einzublasen.
Der dem Gasgenerator nachgeschaltete Schnellkühler könnte durch Flüssigkeitszyklone oder durch Kühlung mittels Flüssigkeitseinspritzung ersetzt werden. In den beigefügten Ansprüchen fallen derartige Vorrichtungen unter den Begriff "Kontaktierzone".
Es liegt auf der Hand, daß auch verschiedene, dem Fachmann einleuchtende Abwandlungen der hier dargelegten Erfindung denkbar sind. So könnten zum Beispiel mehrere Zwischenkühler verwendet werden und bei der Gasturbine auch Zwischenüberhitzer zum Einsatz kommen. Eine Befeuchtung kann in einem oder in mehreren Schritten mit nachfolgendem Vorwärmen erfolgen, und Wasser oder Dampf können an verschiedenen Orten im Zyklus eingespritzt werden, um den Treibfluidmassenstrom zu steigern.

Claims

1. Verfahren mit einem Rindenkocher zur Rückgewinnung von Energie aus einem durch die teilweise Oxidation von Zellstoffablauge in einem in einem Temperaturbereich von 600-1500ºC und einem Druck im Bereich von etwa 1-100 Bar arbeitenden Gasgenerator (A) erzeugten Brenngas, wobei das Brenngas durch direkten Kontakt mit einer wäßrigen Flüssigkeit in einer Schnellabkühlzone oder Kontaktierzone (1) gekühlt und gereinigt wird, wodurch anorganische Natriumverbindungen gelöst werden unter Bildung einer alkalischen Lauge (3), die aus der Anlage zur Herstellung von Kochlauge (7) abgezogen wird, das Brenngas (2) aus der Schnellabkühlzone (1) oder Kontaktierzone abgeführt und als Brennstoff einer Gasturbinenanlage (C, D, E) zugeführt wird; wodurch das gesamte Brenngas (2) oder ein Teil desselben mit Wasser oder Dampf (B, 8) in Kontakt gebracht wird und das Brenngas in Gegenwart eines sauerstoffhaltigen Gases, vorzugsweise Druckluft, verbrannt (D) wird; gekennzeichnet durch die Schritte der:

(1) Kühlung des aus der Schnellabkühlzone oder Kontaktierzone (1) austretenden Brenngasstroms, indem der Gas-(2)-Strom mindestens einer Wärmeaustauschzone (4) zugeführt wird, wo das Gas durch Wärmeaustausch mit mindestens einem Kühlmittel auf eine Temperatur im Bereich von 30-180ºC gekühlt wird;

(2) Komprimierung von Luft (C1, C2) auf einen vorgegebenen Druck;

(3) Abzapfung von Druckluft (14) aus dem Druckluftstrom zum Einsatz als Oxidationsmittel im Gasgenerator (A);

(4) Entziehung von Wärme aus dem Abgas der Gasturbine (E) durch indirekte Wärmeübertragung auf das Brenngas.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der aus der Schnellabkühlzone oder Kontaktierzone (1) austretende Gasstrom (2) in mindestens einem indirekten Wärmetauscher unter übertragung von Wärme zur Erzeugung von Dampf bei einem Druck von 1-15 Bar gekühlt wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, bei dem der Gasstrom (2), nach Abkühlung durch Wärmeaustausch, mit einer wäßrigen Flüssigkeit gewaschen und auf eine Temperatur unter 150ºC gekühlt (B) wird.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1-3, bei dem Kondensate, alkalische Flüssigkeiten und/oder Waschflüssigkeiten aus dem Gasstrom abgezogen und diese Kondensate und Flüssigkeiten nach Vermischen und Rückführung zu der Schnellabkühlung und/oder dem Wäscher zur Herstellung von Kochlauge (7) abgezogen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem Wärme durch Wärmeaustausch mit aus den Schnellabkühl-(1) und/oder Wärmeaustauschzonen (4) austretender alkalischer Lauge gewonnen wird.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1-5, bei dem Wärme in dem aus der Schnellabkühlzone (1) austretenden Gasstrom (2) und/oder Wärme in den aus den Schnellabkühl- und/oder Wärmeaustauschzonen austretenden Flüssigkeiten (3) durch Wärmeaustausch unter Verwendung einer Wärmepumpenanlage, vorzugsweise einer umgekehrten Absorptionswärmepumpenanlage, gewonnen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Komprimierung (C1, C2) von Luft in einer oder mehreren Stufen auf einen Druck über 2 Bar, vorzugsweise im Bereich von 5-50 Bar, besonders bevorzugt 10-30 Bar, erfolgt.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 7, bei dem die Komprimierung von Luft in mindestens zwei Stufen mit dazwischengeschalteter Zwischenkühlung (13) erfolgt.

9. Verfahren nach Ansprüchen 1, 7 und 8, bei dem Zwischenkühlung (13) durch Einspritzen von Wasser in die Druckluft erzielt wird.

10. Verfahren nach Ansprüchen 1, 7 und 8, bei dem Zwischenkühlung durch indirekten Wärmeaustausch mit einer Kühlflüssigkeit erzielt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem 5-30 Volumen-% der aus dem Kompressor (C2) oder den Kompressoren (C2, C1) austretenden Druckluft (14) zum Einsatz als Oxidationsmittel im Gasgenerator (A) abgezapft wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem aus der Wärmeaustauschzone (4) austretendes, gesättigtes Brenngas (2) in einer oder mehreren Kontaktierzonen (B, G) mit wäßriger Flüssigkeit in Kontakt gebracht und dadurch das gesättigte Gas auf eine Temperatur im Bereich von 70ºC - 145ºC gekühlt wird, worauf das Brenngas durch Wärmeaustausch mit Gasturbinenabwärme vorgewärmt und in Gegenwart von Druckluft verbrannt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem aus der Wärmeaustauschzone (4) austretendes Brenngas (2) in einer oder mehreren Kontaktierzonen (B, G) mit wäßriger Flüssigkeit in Kontakt gebracht und dadurch das Gas auf eine Temperatur unter 100ºC gekühlt wird, das Gas auf eine Temperatur über 100ºC vorgewärmt wird, das Gas durch Einspritzen von Wasser in den Gasstrom angefeuchtet wird, das feuchte Brenngas auf eine Temperatur über 150ºC durch Wärmeaustausch mit Gasturbinen-(E)-Abgas vorgewärmt (D) wird und das feuchte Gas in Gegenwart von Druckluft verbrannt wird.

14. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, bei dem angefeuchtetes oder gesättigtes Brenngas im Gegenstromwärmeaustausch mit Gasturbinenabgas auf eine Temperatur über 300ºC vorgewärmt (I) wird.

15. Verfahren nach den Ansprüchen, bei dem Niedertemperaturwärme aus Gasturbinenabgasströmen durch Kondensationswärmerückgewinnung zurückgewonnen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1 und Ansprüchen 2 - 15, bei dem Kondensate aus der Kondensationswärmerückgewinnung zurückgeführt und als Einspritzwasser (G) verwendet wird.

17. Verfahren nach den Ansprüchen, bei dem Wasserdampf in den bzw. die in den Gasturbinenkombustor und/oder Gasturbinenentspanner eintretenden gasförmigen Strom bzw. Strome eingeblasen wird.