EP0586431A1 - Verfahren zur umweltverträglichen erzeugung von energie in einer kombinierten gas-dampfkraftanlage und anlage zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur umweltverträglichen erzeugung von energie in einer kombinierten gas-dampfkraftanlage und anlage zur durchführung des verfahrens

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EP0586431A1
EP0586431A1 EP19920910239 EP92910239A EP0586431A1 EP 0586431 A1 EP0586431 A1 EP 0586431A1 EP 19920910239 EP19920910239 EP 19920910239 EP 92910239 A EP92910239 A EP 92910239A EP 0586431 A1 EP0586431 A1 EP 0586431A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
steam
fluidized bed
gas
turbine
gas turbine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19920910239
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Scholl
Friedrich Bleif
Lothar Stadie
Hans-Karl Petzel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saarbergwerke AG
Siemens AG
Original Assignee
Saarbergwerke AG
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saarbergwerke AG, Siemens AG filed Critical Saarbergwerke AG
Publication of EP0586431A1 publication Critical patent/EP0586431A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle

Definitions

  • the invention relates to a method for the environmentally compatible generation of energy in a combined gas-steam power plant by work-relieving relaxation of a high-tension hot working medium in a gas turbine and of high-tension superheated steam in a steam turbine, the residual heat of the relaxed working medium of the gas turbine Generation of water vapor is used, as well as a plant for performing such a method.
  • the accumulating in the oil or gas fired combustor of the gas turbine compressed working gas at a Tempe ⁇ is first work-expanded temperature of now more than 1,000 * C in the gas turbine and then further cooled in a waste heat boiler to produce high-pressure steam.
  • the cooled flue gas is released into the atmosphere via a chimney.
  • the steam generated is expanded in a steam turbine.
  • the steam temperatures and thus the working capacity of the steam turbine are disadvantageously predetermined or limited by the, in some cases, relatively low exhaust gas temperatures of the gas turbine.
  • the invention is therefore based on the object of a method of the type mentioned at the outset for generating energy in a combined gas-steam turbine process both for achieving higher outputs and thus for reducing the specific CO2 emissions and also for reducing the nitrogen oxide ⁇ to further develop emissions.
  • This object is achieved in that the water vapor is additionally overheated before it relaxes in the furnace of a fluidized bed furnace.
  • the performance of the turbine is increased considerably. For example, performs a Tempe ⁇ raturerhöhung the highly strained water vapor from 500 * C to 600 * C already an increase in the turbine power by more than 5%. It proves particularly advantageous that the temperature increase of the water vapor takes place in a fluidized bed furnace, since such furnaces are characterized by particularly good heat transfers from the fluidizing bed material to the heat exchanger surfaces immersed in the bed. As a result of the relatively low and, above all, very uniform temperatures distributed over the cross section of the bed there are also no material problems with regard to the heat exchanger tubes through which the high pressure steam flows. Due to the low bed temperatures, the formation of thermal nitrogen oxides is also not very pronounced in fluidized bed firing.
  • the fluidized bed combustion can be operated both with oil or gas and with a solid fuel, with in the case of oil or gas firing a suitable foreign material, such as e.g. Quartz sand, to be provided as bed material, while the ashes are used as bed material in the combustion of coal.
  • a suitable foreign material such as e.g. Quartz sand
  • the nitrogen oxide formation in the combustion chamber of the gas turbine can also be considerably reduced if, according to a further feature of the invention, part of the working medium of the gas turbine, which is relaxed and cooled during work, that is to say the low-oxygen gas turbine exhaust gas, is mixed with and mixed with the fresh air to be compressed is fed back into the combustion chamber of the gas turbine.
  • This measure replaces the part of the fresh air, which was essentially only provided as a mass flow for the gas turbine in a method according to the prior art, with the oxygen-poor exhaust gas from the gas turbine, so that the combustion in the combustion chamber with far less excess oxygen can be done. This in turn has the consequence that almost no thermal nitrogen oxides are generated in the combustion chamber of the gas turbine.
  • the remainder of the non-recycled gas turbine gas which still has a temperature of approximately 80 ° C., is expediently mixed with the flue gas from the fluidized bed furnace and released together with the latter into the atmosphere via a suitable chimney.
  • the invention provides for the integration of a further self-heated steam generator, in which case the flue gases from the fluidized bed furnace are then introduced directly into the furnace of the further steam generator.
  • the residual heat of the flue gas from the fluidized bed furnace can be directly used in the further steam generator.
  • the nitrogen oxide content in the total smoke gas stream of the further steam generator can be influenced favorably.
  • the temperature and thus the working capacity of the superheated high-pressure steam obtained in the further steam generator can be increased if it is mixed with the very hot water vapor from the fluidized bed combustion in a suitable mixing collector before it is released , and both steam flows are then fed to the same steam turbine.
  • a combined gas-steam power plant for carrying out the method according to the invention has a gas turbine, a waste heat boiler downstream of the gas turbine for steam generation and a steam turbine and is characterized by a fluidized bed combustion with a heat exchanger arranged in the combustion chamber, the cold end of which connects to the steam outlet of the heat exchanger and its warm end mi * ; - is connected to the steam inlet of the steam turbine.
  • the nitrogen oxide content is also relatively low in the total smoke gas flow to be released into the atmosphere, so that - depending on the required limit values - only correspondingly reduced measures or no measures at all are required for subsequent denitrification of the smoke gases.
  • the formation of CO2 is reduced accordingly.
  • the application of the invention also lends itself particularly to the retrofitting of existing power plants.
  • the proposed measures such as connecting upstream and connecting a gas turbine and fluidized bed combustion to the existing steam generator and moving a part, can now be implemented the heat output of the steam generator on the upstream furnaces.
  • the investment costs for the proposals according to the invention are comparable at least in the order of magnitude with the costs for subsequent denitrification measures, it follows that at least the energy gain resulting from the increase in efficiency is made available practically free of charge.
  • the invention in connection with the retrofitting of old power plants, but also in the construction of new power plants, the invention with the same advantages can be used both in coal dust furnaces with dry ash removal and in furnaces with liquid ash extraction.
  • Figure 1 shows an embodiment of a combined steam power plant in the range of small to medium power
  • Figure 2 shows an embodiment in connection with the Um-. or retrofitting an existing coal-fired power plant.
  • fresh air for the gas turbine cycle is fed to the system via a line 1, compressed to about 6-20 bar in a compressor 2 and then introduced as combustion air into a gas or oil-fired combustion chamber 3.
  • the hot working gas produced in the combustion chamber 3 is expanded to about 1 bar in a gas turbine 4, which is seated on a shaft with a generator 5 and the compressor 2.
  • the inlet temperature of the gas turbine 4 is approximately 800 - 1,300 * C and the outlet temperature is approximately 400 - 600 * C.
  • the residual heat of at 400-600 * C accumulating exhaust gas of the Gas ⁇ turbine 4 is used in a waste heat boiler 6 for generating steam for the steam turbine process.
  • This high-tension (approximately 20-300 bar) water vapor occurring in the waste heat boiler 6 at a temperature of approximately 300-500 ° C. is now, according to the invention, in a heat exchanger 7 which is arranged in the fluidized bed of a fluidized bed furnace 8 with a fuel supply 9, to a temperature of about 540-600 * C, and then further heated in a relaxed connected to a generator 10 steam turbine.
  • the processed steam is liquefied in a condenser 12, pressurized again in a feed water pump 13 and returned to the waste heat boiler 6 via a line 23 in the circuit. It has been shown that the performance of the steam turbine 11 can be increased considerably by the further overheating of the water vapor in the fluidized bed furnace 8.
  • the flue gas of the fluidized bed system 8 fired with coal in the present example is cooled in a heat exchanger 14 against fresh air, dedusted in an electrostatic filter 15, in one.
  • System 16 desulfurized and then withdrawn via a line 17.
  • a suction fan 24 serves to compensate for the pressure losses.
  • the fresh air required for the fluidized bed combustion 8 is supplied via a line 18, an induced draft fan 19 and a pressure increasing fan 25.
  • a considerable reduction in nitrogen oxide formation can also be achieved if a partial stream of the gas turbine exhaust gas is continuously mixed with the fresh air via a line 20 and together with this in the combustion chamber 3 is returned.
  • the amount of the recirculated exhaust gas partial flow is measured according to the mass flow required for optimal performance of the gas turbine 4 and can be up to 50% of the total exhaust gas amount.
  • part of the flue gas from the fluidized bed furnace 8 can also be returned to the furnace via a line 21, the fluidized bed Firing (8) is known, however, already characterized by a low nitrogen oxide formation.
  • the virtually non-nitrogen oxide-free residual stream of the gas turbine exhaust gas which is not returned to the combustion chamber 3 is fed via a line. 22 deducted, mixed with the flue gas stream flowing via line 17 and released into the atmosphere via a chimney or a cooling tower, not shown here. Additional measures for denitrification are generally not necessary to achieve the required limit values.
  • the power plant to be retrofitted consists of a steam generator 30 with a dry-ash buried fire chamber 31, a fuel supply 32 and heating surfaces 33, 34 for generating the high-pressure steam in the water-steam cycle, which in addition to the heating surfaces 33, 34 is a steam turbine 35 as further main components having a generator 36, a steam condenser 37 and a feed water pump 38.
  • the flue gas from the steam generator 30 successively passes through an air preheater 39, an electrostatic filter 40, a suction fan 41, a desulfurization system 42 and is then fed via line 43 to a chimney (not shown) or a cooling tower (also not shown) for discharge into the atmosphere .
  • the required fresh air is drawn in via a fresh air blower 44, preheated in the heat exchangers 45 and 39 and then fed into the combustion chamber 31.
  • the coupling takes place, inter alia, in that the still hot, low nitrogen oxide flue gases of the fluidized bed system 8 are introduced directly into the combustion chamber 31 of the steam generator 30, whereby on the one hand the residual heat of the flue gases is emitted directly to the water-steam circuit 33, 34 of the steam generator 30 can and on the other hand the existing devices for flue gas cooling and purification can also be used for the treatment of the flue gases of the fluidized bed furnace 8.
  • the high pressure steam of the steam generator 30 is mixed with the strongly superheated water vapor from the fluidized bed system 8 in a mixing collector 46 after it has been relaxed in the steam turbine 35.
  • the resulting mixing temperature is above the maximum temperature achievable in the steam generator 30, so that the steam turbine 35 has a higher inlet temperature with a corresponding increase in output.
  • the flue gas streams from the combustion chamber 3 and the fluidized bed furnace 8 being almost the result of the proposed measures are nitrogen oxide-free, with a corresponding optimization, in particular in old plants with dry ash removal, a final nitrogen oxide concentration can generally be set which satisfies the respectively required limit values.
  • the integration of a gas turbine cycle and the additional superheating of the water vapor in the mixing collector 46 can improve the efficiency of the power plant> 45% with a corresponding reduction in the specific CO2 emissions.

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Description

Verfahren zur umweltverträglichen Erzeugung von Energie in einer kombinierten Gas-Dampfkraftanlage und Anlage zur Durch¬ führung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur umweltverträglichen Erzeugung von Energie in einer kombinierten Gas-Dampfkraft- anlage durch arbeitsleistende Entspannung eines hochgespann¬ ten heißen Arbeitsmittels in einer Gasturbine und von hochge¬ spanntem überhitztem Dampf in einer Dampfturbine, wobei die Restwärme des entspannten Arbeitsmittels der Gasturbine zur Erzeugung des Wasserdampfes genutzt wird, sowie eine Anlage zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Bei den bekannten Verfahren zur kombinierten Erzeugung von Energie unter Verwendung von Gas- und Dampfturbinen wird in der Regel das in der öl- oder gasbefeuerten Brennkammer der Gasturbine anfallende verdichtete Arbeitsgas bei einer Tempe¬ ratur von inzwischen über 1.000* C in der Gasturbine zunächst arbeitsleistend entspannt und dann in einem Abhitzekessel unter Erzeugung von hochgespanntem Dampf weiter abgekühlt. Das abgekühlte Rauchgas wird über ein Kamin in die Atmosphäre abgegeben. Dβr erzeugte Dampf wird in einer Dampfturbine ent¬ spannt. Bei dieser Verfahrensweise sind die Dampftemperaturen und somit das Arbeitsvermögen der Dampfturbine in nachteiliger Weise vorgegeben bzw. begrenzt durch die zum Teil relativ niedrigen Abgastemperaturen der Gasturbine.
Hinzu kommt, daß die Abgase der Gasturbine hohe Stickoxidkon¬ zentrationen aufweisen,' da die Verbrennung in der Brennkammer bei hohen Temperaturen und erheblichem Luft- bzw. Sauerstoff- Überschuß erfolgt. Der SauerstoffÜberschuß ist darauf zurückzu¬ führen, daß zur Verfügungstellung des für die Gasturbine benö¬ tigten Massenstromes eine über die eigentliche Verbrennungs- luftmenge weit hinausgehende Luftmenge erforderlich wird.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfah¬ ren der eingangs genannten Art zur Erzeugung von Energie in einem kombinierten Gas-Dampfturbinenprozeß sowohl zur Erzie¬ lung höherer Leistungen und somit zur Reduzierung der spezifi¬ schen CO2-Emissionen als auch zur Reduzierung der Stickoxid¬ emissionen weiterzuentwickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wasserdampf vor seiner Entspannung im Feuerungsraum einer Wirbelbettfeuerung zusätzlich überhitzt wird.
Aufgrund der vorgeschlagenen zusätzlichen Erhitzung des Wasser¬ dampfes vor seiner Entspannung wird das Leistungsvermögen der Turbine erheblich gesteigert. Beispielsweise führt eine Tempe¬ raturerhöhung des hochgespannten Wasserdampfes von 500* C auf 600* C bereits zu einer Erhöhung der Turbinenleistung um mehr als 5 %. Besonders vorteilhaft erweist es sich dabei, daß die Temperaturerhöhung des Wasserdampfes in einer Wirbelbettfeue¬ rung erfolgt, da sich derartige Feuerungen durch besonders gute Wärmeübergänge von dem wirbelnden Bettmaterial auf die in das Bett eingetauchten Wärmetauscherflächen auszeichnen. Infol¬ ge der relativ niedrigen und vor allem sehr gleichmäßigen über den Querschnitt des Bettes verteilten Temperaturen ergeben sich zudem keine Materialprobleme im Hinblick auf die von dem Hochdruckdampf durchströmten Wärmetauscherrohre. Aufgrund der niedrigen Betttemperaturen ist in der Wirbelbettfeuerung darü¬ ber hinaus die Bildung thermischer Stickoxide nicht sehr ausge¬ prägt.
Gemäß der Erfindung kann die Wirbelbettfeuerung sowohl mit Öl oder Gas als auch mit einem festen Brennstoff betrieben wer¬ den, wobei im Falle der öl- bzw. oder Gasfeuerung ein geeig¬ netes Fremdmaterial, wie z.B. Quarzsand, als Bettmaterial vor¬ zusehen ist, während bei der Verbrennung von Kohle die Asche selbst als Bettmaterial Verwendung findet.
Auch die Stickoxidbildung in der Brennkammer der Gasturbine läßt sich erheblich reduzieren, wenn nach einem weiteren Merk¬ mal der Erfindung ein Teil des arbeitsleistend entspannten und abgekühlten Arbeitsmittels der Gasturbine, also des sauerstoff¬ armen Gasturbinenabgases, der zu verdichtenden Frischluft zuge¬ mischt und mit dieser in die Brennkammer der Gasturbine rückge¬ führt wird. Durch diese Maßnahme wird der Teil der Frischluft, der bei einer Verfahrensweise nach dem Stand der Technik im wesentlichen nur als Massenstrom für die Gasturbine vorgesehen war, ersetzt durch das sauerstoffarme Abgas der Gasturbine, so daß die Verbrennung in der Brennkammer bei weit weniger Sauer¬ stoffÜberschuß erfolgen kann. Dies wiederum hat zur Folge, daß in der Brennkammer der Gasturbine nunmehr nahezu keine thermi¬ schen Stickoxide mehr entstehen.
Zweckmäßigerweise wird der nicht rückgeführte Rest des Ak-rases der Gasturbine, der noch eine Temperatur von etwa 80* C auf¬ weist, mit dem Rauchgas der Wirbelbettfeuerung vermischt und zusammen mit diesem über einen geeigneten Kamin in die Atmos¬ phäre abgegeben.
Falls die Wirbelbettfeuerung mit Kohle betrieben wird sind zu¬ sätzliche Einrichtungen zur Staubabscheidung und Reduzierung der Schwefeloxide erforderlich, wie z.B.; die Installation eines Elektrofilters und einer Naßwäsche. In diesem Falle ver¬ läßt das gereinigte Rauchgas die Entschwefelungsanlage bei einer Temperatur von etwa 40* C voll gesättigt. Die vorgeschla¬ gene Vermischung eines derartigen Rauchgases mit dem Abgas der Gasturbine führt zu einer Erhöhung der Temperatur mit einer entsprechenden Verbesserung der Thermik bei der Ableitung in • die Atmosphäre über einen Kühlturm.
Der erfindungsgemäße Vorschlag der verfahrenstechnischen Ver¬ knüpfung einer Gasturbine mit einem Abhitzekessel und einer Wirbelbettfeuerung erweist sich besonders vorteilhaft bei kleineren und mittleren Kraftwerksanlagen mit einer Leistung von etwa 50 - 300 MW.
Bei einem höheren Leistungsbedarf sieht die Erfindung die Inte¬ gration eines weiteren eigenbeheizten Dampferzeugers vor, wo¬ bei dann die Rauchgase der Wirbelbettfeuerung direkt in den Feuerungsraum des weiteren Dampferzeugers eingeleitet werden. Hierdurch kann die Restwärme des Rauchgases der Wirbelbettfeue¬ rung im weiteren Dampferzeuger direkt verwertet werden. Darü¬ ber hinaus entfallen separate Maßnahmen zur Reinigung der Rauchgase der Wirbelbettfeuerung. Auch läßt sich aufgrund der geringen Stickoxidkonzentration im Rauchgas der Wirbelbett¬ feuerung der Stickoxidgehalt im Gesamtrauchgasstrom des weite¬ ren Dampferzeugers günstig beeinflussen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn ähnlich wie bei der Gasturbine ein Teil des gereinigten Rauchgasstromes anstelle von Frischluft in die Wirbelbettfeuerung rücXgeführt und auf diese Weise eine nahezu stöchiometrische Verbrennung im Wirbelbett erreicht wird, mit der Folge einer gegen Null gehenden Bildung thermischer Stick¬ oxide. Eine nicht ganz vollständige Verbrennung mit verstärk¬ ter Bildung von Kohlenmonoxid erweist sich dabei nicht als nachteilig, da das Rauchgas in den Feuerungsraum des weiteren Dampferzeugers eingeleitet und dort nachverbrannt wird. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung läßt sich die Tempe¬ ratur und damit das Arbeitsvermögen des im weiteren Dampferzeu¬ ger gewonnenen überhitzten Hochdruckdampfes erhöhen, wenn die¬ ser vor seiner Entspannung in einem geeigneten Mischsammler mit dem sehr heißen Wasserdampf aus der Wirbelbettfeuerung ver¬ mischt wird, und beide Dampfströme dann der gleichen Dampftur¬ bine zugeführt werden.
Eine kombinierte Gas-Dampfkraftanlage zur Durchführung des er¬ findungsgemäßen Verfahrens weist eine Gasturbine, einen der Gasturbine nachgeschalteten Abhitzekessel zur Dampferzeugung und eine Dampfturbine auf und zeichnet sich durch eine Wirbel¬ bettfeuerung mit einem im Feuerraum angeordneten Wärmetau¬ scher, dessen kaltes Ende mit dem Dampfausgang des Abhitzekes¬ sels und dessen warmes Ende mi*;- dem Dampfeingang der Dampftur¬ bine verbunden ist, aus.
Insbesondere bei Großkraftwerken mit einer Leistung > 500 MW oder bei der Nachrüstung vorhandener Kraftwerke erweist es sich zweckmäßig, in die Dampfleitung von der Wirbelbettfeüe- rung zur Dampfturbine einen weiteren Mischsammler zu integrie¬ ren und diesen zusätzlich mit dem heißen Ende des Wasser- Dampf-Kreislaufes des weiteren Dampferzeugers zu verbinden. Darüber hinaus ist eine Verbindungsleitung für das Rauchgas der Wirbelbettfeuerung zwischen dem Wirbelbett und dem Feuer¬ raum des weiteren Dampferzeugers vorzusehen.
Bei Realisierung aller erfindungsgemäßen Merkmale läßt sich demnach ein umweltverträgliches Großkraftwerk mit einem Wir¬ kungsgrad > 45 % darstellen.
Bei optimaler Auslegung, das heißt, bei optimaler Verteilung der geforderten Gesamtwärmeleistung auf die verschiedenen Feuerungen in der Brennkammer der Gasturbine, in der Wirbel¬ bettanlage und im weiteren Dampferzeuger ist aufgrund der ge¬ ringen Stickoxidbildung in der Brennkammer und im Wirbelbett -6-
der Stickoxidgehalt auch in dem an die Atmosphäre abzugebenden Gesamtrauchgasstrom relativ niedrig, so daß - je nach den ge¬ forderten Grenzwerten - nur noch entsprechend reduzierte oder auch überhaupt keine Maßnahmen zur nachträglichen Entstickung der Rauchgase erforderlich sind. Selbstverständlich reduziert sich aufgrund des hohen Wirkungsgrades auch die Bildung von CO2 entsprechend.
Es liegt auf der Hand, daß sich die Anwendung der Erfindung insbesondere auch bei der Nachrüstung bestehender Altkraft¬ werke anbietet. Anstelle der Installation einer sowohl von den Investitions- als auch von den Betriebskosten (z.B. hoher Eigenenergiebedarf) relativ aufwendigen Entstickungsanlage können nunmehr die vorgeschlagenen Maßnahmen, wie Vorschaltung und entsprechende Verknüpfung einer Gasturbine und einer Wir¬ belbettfeuerung mit dem vorhandenen Dampferzeuger und Ver¬ lagerung eines Teiles der Wärmeleistung des Dampferzeugers auf die vorgeschalteten Feuerungen, realisiert werden. Unter der Annahme, daß die Investitionskosten für die erfindungsgemäßen Vorschläge zumindest in der Größenordnung vergleichbar sind mit den Kosten für nachträgliche Entstickungsmaßnahmen, ergibt sich, daß zumindest der durch die Wirkungsgraderhöhung sich ergebende Energiezugewinn praktisch kostenlos zur Verfügung gestellt wird.
Im Zusammenhang mit der Nachrüstung von Altkraftwerken aber auch beim Bau neuer Kraftwerke kann die Erfindung mit den glei¬ chen Vorteilen sowohl bei Kohlenstaubfeuerungen mit trockener Entaschung als auch bei Feuerungen mit flüssigem Ascheabzug angewandt werden.
Weitere Erläuterungen zu der Erfindung sind dem in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Es zeigen:
Figur 1 eine Ausführungsform einer kombinierten Dampf- Kraftanlage im Bereich kleinerer bis mittlerer Leistungen und
Figur 2 eine Ausführungsform im Zusammenhang mit der Um- . bzw. Nachrüstung eines bereits vorhandenen Kohlekraftwerkes.
Gemäß Figur 1 wird Frischluft für den Gasturbinenkreislauf über eine Leitung 1 der Anlage zugeführt, in einem Kompressor 2 auf etwa 6 - 20 bar verdichtet und dann als Verbrennungsluft in eine gas- oder ölbefeuerte Brennkammer 3 eingeleitet. Das in der Brennkammer 3 anfallende heiße Arbeitsgas wird in einer Gasturbine 4, die mit einem Generator 5 und dem Kompressor 2 auf einer Welle sitzt, auf etwa 1 bar entspannt. Die Eingangs¬ temperatur der Gasturbine 4 liegt bei etwa 800 - 1.300* C und die Ausgangstemperatur bei etwa 400 - 600* C.
Die Restwärme des bei 400 - 600* C anfallenden Abgases der Gas¬ turbine 4 wird in einem Abhitzekessel 6 zur Erzeugung von Wasserdampf für den Dampfturbinenprozeß genutzt. Dieser im Ab¬ hitzekessel 6 bei einer Temperatur von etwa 300 - 500* C anfallende hochgespannte (etwa 20 - 300 bar) Wasserdampf wird nach der Erfindung nunmehr in einem Wärmetauscher 7 der im Wirbelbett einer Wirbelbettfeuerung 8 mit einer Brennstoff¬ zufuhr 9 angeordnet ist, auf eine Temperatur von etwa 540 - 600* C weiter erhitzt und dann in einer mit einem Generator 10 verbundenen Dampfturbine 11 entspannt. Der abgearbeitete Dampf wird in einem Kondensator 12 verflüssigt, in einer Speisewasserpumpe 13 erneut auf Druck gebracht und über eine Leitung 23 in den Abhitzekessel 6 im Kreislauf zurückgeführt. Es hat sich gezeigt, daß durch die weitere überhitzung des Wasserdampfes in der Wirbelbettfeuerung 8 die Leistung der Dampfturbine 11 erheblich gesteigert werden kann.
Das Rauchgas der im vorliegenden Beispiel mit Kohle befeuerten Wirbelbettanlage 8 wird in einem Wärmetauscher 14 gegen Frisch¬ luft abgekühlt, in einem Elektrofilter 15 entstaubt, in einer. Anlage 16 entschwefelt und dann über eine Leitung 17 abgezo¬ gen. Ein Saugzuggebläse 24 dient zur Kompensation der Druck¬ verluste.
Die benötigte Frischluft für die Wirbelbettfeuerung 8 wird über eine Leitung 18, ein Saugzuggebläse 19 und ein Drucker¬ höhungsgebläse 25 zugeführt.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren läßt sich neben der durch die überhitzung in der Wirbelbettfeuerung 8 erzielten Lei¬ stungssteigerung auch eine erhebliche Reduzierung der Stick¬ oxidbildung erreichen, wenn ein Teilstrom des Gasturbinen¬ abgases über eine Leitung 20 kontinuierlich mit der Frischluft vermischt und zusammen mit dieser in die Brennkammer 3 rück¬ geführt wird. Die Menge des zurückgeführten Abgasteilstromes bemißt sich dabei nach dem für eine optimale Leistung der Gasturbine 4 benötigten Massenstrom und kann bis zu 50 % der gesamten Abgasmenge betragen. Bei optimaler Auslegung wird nur noch die für die Verbrennung in der Brennkammer 3 erforder¬ liche Menge Frischluft zugeführt und die als Massenstrom für die Gasturbine 4 benötigte Zusatzmenge durch rückgeführtes sauerstoffarmes Abgas beigestellt. Auf diese Weise wird er¬ reicht, daß die Verbrennung in der Brennkammer 3 bei wesent¬ lich geringerem, oder bei optimaler Auslegung, überhaupt keinem SauerstoffÜberschuß stattfindet, mit der Folge einer gegen Null gehenden Bildung thermischer Stickoxide.
Aus den gleichen Gründen kann im übrigen auch ein Teil des Rauchgases der Wirbelbettfeuerung 8 über eine Leitung 21 in die Feuerung zurückgeführt werden, wobei die Wirbelschicht- feuerung (8) sich bekanntlich jedoch sowieso schon durch eine geringe Stickoxidbildung auszeichnet.
Der nicht in die Brennkammer 3 rückgeführte, nahezu stickoxid- freie Reststrom des Gasturbinenabgases wird über eine Leitung . 22 abgezogen, mit dem über Leitung 17 strömenden Rauchgasstrom vermischt und über einen hier nicht dargestellten Kamin oder auch einen Kühltürm in die Atmosphäre abgegeben. Zusätzliche Maßnahmen zur Entstickung sind zur Erreichung der geforderten Grenzwerte dabei in der Regel nicht erforderlich.
In der Ausführungsform nach Figur 2 wird die Erfindung noch¬ mals am Beispiel der Um- bzw. Nachrüstung eines bereits vor¬ handenen Steinkohlekraftwerkes auf einen stickoxidarmen Rauch¬ gasausstoß erläutert, wobei anstelle der üblichen dem Kraft¬ werkskessel nachgeschalteten Entstickungseinrichtung, wie z.B. einer katalytisch beschleunigten Entstickung mit Ammoniak als Reaktionspartner, nunmehr die Vorschläge gemäß der Erfindung zur Anwendung kommen. In Figur 2 sind für gleiche Vorrichtungs¬ teile jeweils die gleichen Bezugsziffern wie in Figur 1 vorge¬ sehen.
Die zur Nachrüstung anstehende Kraftwerksanlage besteht aus einem Dampferzeuger 30 mit einem trockenentaschten Feuerurigs- raum 31, einer Brennstoffzufuhr 32 und Heizflächen 33, 34 zur Erzeugung des Hochdruckdampfes im Wasser-Dampf-Kreislauf, der neben den Heizflächen 33, 34 als weitere Hauptkomponenten eine Dampfturbine 35 mit einem Generator 36, einen Dampfkondensator 37 und eine Speiesewasserpumpe 38 aufweist. Das Rauchgas des Dampferzeugers 30 passiert nacheinander einen Luftvorwärmer 39, einen Elektrofilter 40, ein Saugzuggebläse 41, eine Ent¬ schwefelungsanlage 42 und wird dann über eine Leitung 43 einem nicht dargestellten Kamin oder einem ebenfalls nicht darge¬ stellten Kühl ürm zur Ableitung in die Atmosphäre zugeführt. Die benötigte Frischluft wird über ein Frischluftgebläse 44 angesaugt, in den Wärmetauschern 45 und 39 vorgewärmt und dann in den Feuerungsraum 31 eingespeist.
Zur Reduzierung der Stickoxide, aber auch zur gleichzeitigen Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades wird nunmehr vorgeschlagen, das bestehende Kraftwerk mit einer Kraftwerksanlage gemäß Fi¬ gur 1 zu koppeln und einen Teil der mit der üblich hohen Stick¬ oxidbildung verbundenen Feuerungsleistung des Dampferzeugers 30 durch die zusätlichen stickoxidarmen Feuerungen in der Brennkammer 30 des Gasturbinenkreislaufes und in der Wirbel¬ bettanlage 8 zu ersetzen.
Die Kopplung erfolgt unter anderem dadurch, daß die noch heißen stickoxidarmen Rauchgase der Wirbelbettanlage 8 direkt in den Feuerungsraum 31 des Dampferzeugers 30 eingeleitet werden, wodurch zum einen die Restwärme der Rauchgase direkt an den Wasser-Dampf-Kreislauf 33, 34 des Dampferzeugers 30 abgegeben werden kann und zum anderen die vorhandenen Einrich¬ tungen zur Rauchgaskühlung und zur -reinigung für die Behand¬ lung auch der Rauchgase der Wirbelbettfeuerung 8 mitgenutzt werden können.
Der Hochdruckdampf des Dampferzeugers 30 wird nach der Erfin¬ dung vor seiner Entspannung in der Dampfturbine 35 mit dem stark überhitzten Wasserdampf aus der Wirbelbettanlage 8 in einem Mischsammler 46 vermischt. Die sich dabei einstellende Mischungstemperatur liegt über der im Dampferzeuger 30 erziel¬ baren Höchsttemperatur, so daß sich für die Dampfturbine 35 eine höhere Eingangstemperatur mit entsprechender Leistungs¬ steigerung ergibt.
Nach einem weiteren Merlcnal wird der über die Leitung 22 strö¬ mende Abgasstrom der Gasturbine 4, der noch eine Temperatur -11-
von etwa 80* C aufweist, mit dem Rauchgas in der Leitung 42, welches bei den meisten Kraftwerken naßentschwefelt worden ist, und somit bei einer Temperatur von noch etwa 40* C wasser¬ dampfgesättigt ist, vermischt. Diese Vermischung führt zu einer Temperaturerhöhung des Gesamtrauchgasstromes und verbessert somit die thermischen Bedingungen für die Ableitung in die Atmosphäre über einen Kühltürm entsprechend.
Da der Gesamtrauchgasstrom des Kraftwerkes sich nunmehr aus den Rauchgasteilströmen der erläuterten drei Feuerungen, nämlich der Brennkammer 3, der Wirbelschichtfeuerung 8 und der Feuerung 31 des Dampferzeugers 30 zusammensetzt, wobei die Rauchgasströme aus der Brennkammer 3 und der Wirbelbettfeue¬ rung 8 durch die vorgeschlagenen Maßnahmen nahezu stickoxid- frei sind, läßt sich bei entsprechender Optimierung insbeson¬ dere bei Altanlagen mit Trockenentaschung in der Regel eine Stickoxidendkonzentration einstellen, die den jeweils gefor¬ derten Grenzwerten genügt. Darüber hinaus kann durch die Einbindung eines Gasturbinenkreislaufes und die zusätzliche überhitzung des Wasserdampfes im Mischsammler 46 eine Wir¬ kungsgradverbesserung des Kraftwerkes > 45 % mit entspre¬ chender Reduzierung auch der spezifischen CO2-Emissionen erreicht werden.

Claims

Patentansorüche
1. Verfahren zur umweltverträglichen Erzeugung von Ener¬ gie in einer kombinierten Gas-Dampfkraftanlage durch arbeitsleistende Entspannung eines hochgespannten hei¬ ßen Arbeitsmittels in einer Gasturbine und von hochge¬ spanntem überhitztem Dampf in eine Dampfturbine, wobei die Restwärme des entspannten Arbeitsmittels der Gas¬ turbine zur Erzeugung des Wasserdampfes genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf vor seiner Entspannung in einem im Feuerungsraum einer Wirbelbett¬ feuerung angeordneten Wärmetauscher zusätzlich er¬ hitzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des arbeitsleistend entspannten und abgekühl¬ ten Arbeitsmittels der Gasturbine der zu verdichtenden Frischluft der Gasturbine zugemischt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Rauchgase der Wirbelbettfeuerung in den Feuerungsraum eines weiteren Dampferzeugers einge¬ leitet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem weiteren Dampferzeuger erzeugte Wasserdampf mit dem in der Wirbelbettfeuerung überhitzten Wasserdampf vermischt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der gereinigten Rauchgase der Wirbelbettfeuerung oder des weiteren Dampferzeu¬ gers in die Wirbelbettfeuerung zurückgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht rückgeführte Rest des arbeitsleistend entspannten Arbeitsmittels der Gastur¬ bine dem abgekühlten gereinigten Rauchgas der Wirbel¬ bettfeuerung bzw. des zusätzlichen Dampferzeugers zugemischt wird.
7. Kombinierte Gas-Dampfkraftanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Gasturbine, einem der Gasturbine nachgeschalteten Abhitzekessel zur Dampferzeugung und einer Dampfturbine, gekennzeichnet durch eine Wirbelbettfeuerung (8) mit einem im Feuer¬ raum angeordneten Wärmetauscher (7) , dessen kaltes Ende mit dem Dampfausgang des Abhitzekessels (6) und dessen warmes Ende mit dem Dampfeingang der Dampftur¬ bine (11) verbunden ist.
8. Kombinierte Gas-Dampfkraftanlage nach Anspruch 7, da¬ durch gekennzeichnet, daß in die Dampfleitung von der Wirbelbettfeuerung zur Dampfturbine ein Mischsammler (46) integriert ist, der zusätzlich mit dem heißen Ende des Wasser-Dampfkreislaufes eines weiteren Dampf¬ erzeugers (30) kommuniziert und daß eine Verbindungs¬ leitung für Rauchgas zwischen der Wirbelbettfeuerung (8) und dem Feuerungsraum (31) des weiteren Dampfer¬ zeugers (30) vorgesehen ist.
9. Kombinierte Gas-Dampfkraftanlage nach Anspruch 8, da¬ durch gekennzeichnet, daß der weitere Dampferzeuger (30) der Dampferzeuger eines bestehenden Kohlekraft¬ werkes ist.
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