SE463776B - Foerfarande foer att producera elenergi med en acfbc aanggenerator kombinerad med en aangturbinenhet och tvaa gasturbinenheter - Google Patents

Description

Nackdelarna med ett PFBC-koncept är dels relativt högre bäddtemperatur (880°) innebärande högre NOx-bildning, dels risk för skovelhaveri i gasturbinen om cyklonreningen skulle fallera samt en betydande driftskomplikation p g a otillgäng- lighet för inspektion och reparation förorsakad av virvel- bäddens och cyklonernas inbyggnad i tryckkammaren.

Föreliggande uppfinning innebär ett miljövänligt sätt att på basis av förbränning av fasta fossila bränslen i en ånggene- rator typ ACFBC i kombination med två gasturbiner och en kondensångturbin producera elenergi med en nettoverkningsgrad ca 46 %. Konceptet enligt uppfinningen ger sålunda väsentligt högre nettoverkningsgrad än PFBC-konceptet trots att det är enklare såväl ur mekanisk- som driftssynpunkt.

Sättet enligt uppfinningen kännetecknas av att det fossila bränslet, lämpligen innehållande >20% företrädesvis >30% flyktigt material, först pyrolyseras i finfördelad form i kontakt med hett bäddmaterial i en virvelbädd genomfluten av ett styrt delföde av det cirkulerande bäddmaterialflödet i en ACFBC-ånggenerator, vilket delflöde i blandning med bildad pyrokoks återföres till ånggeneratorns förbränningsschakt där pyrokoksen tjänstgör som bränsle, medan bildad pyrogas, efter rening på känt sätt, uttnyttjas i en gasturbinenhet, vars avgas, lämpligen efter återuppvärmning, utnyttjas för produk- tion av ånga, lämpligen högtrycksånga, medan den andra gasturbinenheten drivs av tryckluft från enhetens högtrycks- kompressor, som upphettas på indirekt väg i en värmeväxlare nedsänkt i en virvelbädd av klassisk typ genomfluten av ett styrt delflöde av det cirkulerande bäddmaterialflödet i ACFBC- ånggeneratorn, varvid slutuppvärmningen av tryckluften sker genom förbränning direkt i densamma av gas- och/eller vätskeformigt bränsle, lämpligen internproducerat sådant, företrädesvis pyrogas och varvid gasturbinenheten ifråga arbetar med mottryck därigenom att avgasen från dess kraft- turbindel, som har förhållandesvis hög temperatur, utnyttjas som fluidiseringsgas (primärluft) och sekundär'förbräuüngsluflzi ACFBC-ånggeneratorn då densamma producerar överhettad hög- trycksånga för kondensångturbinenheten.

Uppfinningen kännetecknas vidare av att separering av bädd- materialet från den heta rökgassuspension, vanligen med 10-80 kg/m3 bäddmaterial, som lämnar toppen av ACFBC-ånggeneratorns förbränningsschackt, sker i två steg: ett "grovsteg" där suspensionens innehåll av bäddmaterial sänks med 60-90% samt ett "finsteg" där innehållet nedbringas till <3% av sus- pensionens ursprungliga innehåll av bäddmaterial, varvid materialet från "grovsteget" införes under bäddytan i virvelbädden med värmeväxlaren och återföres via ett brädd- avlopp till undre delen av ånggeneratorns förbränningsschakt och varvid virvelbädden ifråga fluidiseras vid 0,6 tomrumsvolym/total volym) med hjälp av ett litet delflöde av avgasflödet från mottrycksgasturbinens kraftturbindel medan materialet från "finsteget“ tillföres den fluidiserade pyrolysbädden, lämpligen vid dess botten och blandningen av bildad pyrokoks och bäddmaterial återföres via ett bräddavlopp till undre delen av ånggeneratorns förbränningsschakt.

Pyrolysen av det finfördelade fossila bränslet sker enligt uppfinningen genom att detsamma inblåses, lämpligen på flera punkter, i den undre delen av pyrolysvirvelbädden, varvid inblåsningen sker med hjälp av gentemot bränslet i huvudsak inert gas samtidigt som den i bädden utvecklade råpyrogasen fluidiserar bädden och avledes från bäddrummets topp och grovrenas i en hetcyklon. Härifrån föres gasen till renings- anordningar av känt slag där den befrias från stoft och tjära bl a genom tvättning. Den utvunna tjäran mm utnyttjas lämligen som bränsle i ånggeneratorns förbränningsschakt och för nämnd återuppvärmning av avgasen från den ena gasturbin- enheten.

Ett utföringsexempel enligt uppfinningen beskrives nedan i anslutning till Fig. l i avsikt att närmare belysa densamma.

CW 'T fl' u? Exemplet gäller ett kraftverk med en nettoeffekt på 130 MW, som baseras på stenkol innehållande 37,0% flyktigt och ett effektivt bränslevärde på 7800 Kcallkg torrt råkol samt med nedanstående analys: C H 0 N S % 79,3 5,4 8,9 1,5 0,6 Askhalten i provet var 4,3%.

I en standard kolpulvermalningsapparatur (ej visad i Fig. 1) males 9,1 kg/sek torrt råkol till en kornstorlek <0,l mm.

Torkningen sker under malningen lämpligen med avgaser från avgaspannan l7. Kolpulvret 60 inblåses med hjälp av renad pyrogas 38 i undre delen av pyrolysbäddarna 34, en för varje av de parallellkopplade hetcyklonerna 33. Pyrolysbäddarna 34 har formen av en upp-och-nedvänd stympad kon (venturibädd) och tillföres vid botten styrda delflöden av hett bäddmaterial (ca 835°), som avskilts från ACFBC-ånggeneratorns bädd- materialkrets i cyklonerna 33. Via ett bräddavlopp i pyrolysbäddarnas övre del återföres delflödena till undre delen av ånggeneratorns 30 förbränningsschakt 31. Bädd- materialet i pyrolysbäddarna 34 omröres från botten med hjälp av små gasflöden, lämpligen renad pyrogas 38, som tillföres så att uppstömmar bildas i en bädds centrala delar och ned- strömmar längs bäddväggen. Själva fluidiseringen åstad- kommes av råpyrogasen som utvecklas vid kolets kontakt med bäddmaterialt.

I kontakt med det heta, bäddmaterialet pyrolyserar det fin- fördelade torra kolet mycket snabbt och övergår i pyrokoks och råpyrogas, som avledes från bäddarnas 34 topp. Rågasen be- frias först från huvuddelen av medföljande bäddmaterial i het- cykloner (ej visad i Fig 1) varefter den nedkyles och tvättas ren från stoft och tjära på bl a från koksverkstekniken känt sätt 36. Huvudfraktionen av tjäran 37 med visst mindre 1:-! HH' L; CJ innehåll av bäddmaterial utnyttjas som bränsle i ånggenera- torn 30 förbränningsschakt 31 medan en ren fraktion 39 utnyttjas för återuppvärmning av avgasen 16 från gasturbin- enheten 10 före dess utnyttjning i avgaspannan 17, som producerar mättad högtrycksånga.

Större delen (ca 84%) av den renade pyrogasen 38 utnyttjas som bränsle i standard-gasturbinenheten 10 där den förbrännes i brännkammaren 13 vid 12 bars tryck i 92 kg/s tryckluft från högtryckskompressorn 12. Den genererade heta (900°) gasen från brännkammaren 13 expanderar i turbinens 14 båda steg, som driver hög- resp. lågtryckskompressorerna 12 och ll. Avgasen från turbinen 12 driver kraftturbinen 15 kopplad till generatorn 18, som avger 16 400 kWe.

Avgaserna 16 från kraftturbinen 15 har en temperatur på ca 360° och måste för att kunna utnyttjas på ekonomiskt bästa sätt återuppvärmas (reheating) till ca 450° vilket möjliggör utnyttjning i avgaspannan l7, som då kan producera mättad högtrycksånga med 145 bar och 338°, som överhettas i ACFBC- änggeneratorns överhettare. 30 av i reningsapparaturen 36 % 0 a avskild tjära åtgår för nämnda teruppvärmning (reheating).

Den mindre delen av pyrogasen (ca 14%) utnyttjas som bränsle för den modifierade gasturbinenheten 20 i vilkens bränn- kammaren 24 den slutvärmer den heta tryckluften från värme- växlaren 51 till 900°. I värmeväxlaren 51 i den klassiska virvelbädden 50 upphettas tryckluften från högtryckskom- pressorn 25 (ll bar, 325°) indirekt till ca 800°. Virvel- bädden 50 genomflytes av ett styrt flöde av hett (ca 840°) bäddmaterial, som avskilts från ACFBC-ånggeneratorns 30 cirkulationskrets i "grovsteget" 32 och som införes i virvelbädden 50 nära dess botten och återföres via ett bräddavlopp till undre delen av ånggeneratorns 30 för- bränningsschakt 31.

J* GN Q: ~»~.._ _ ~..__j Den heta tryckgasen från brännkammaren 24 avspännes i turbinens 23 två steg, av vilka det först driver högtrycks- kompressorn 25 och det andra via en växel 26 generatorn 27, som avger 13 600 kWe. Avgasen från turbinen 23 driver kraftturbinen 22, som driver lågtryckskompressorn 21, vilken levererar lågtrycksluften till högtryckskompressorn 25 via en mellankylare 28. I denna tillvaratages kompressionsvärme exempelvis för förvärmning av matarvatten till avgaspannan 17.

Värmeförbrukningen i virvelbädden 50 för den indirekta uppvärmningen av tryckluften från högtryckskompressorn 25 är mycket större än värmeförbrukningen i pyrolysbäddarna 34. För att uppnå lämplig ( <30° företrädesvis sänkning hos bäddmaterialet i pyrolysbäddarna 34 styrs enligt uppfinningen fördelningen av avskiljningen av bäddmaterialet mellan separationsstegen 32 och 33. Nämnda styrning sker företrädesvis genom att i "grovsteget" 32 använda en avskilj- ningsanordning, som ger för hög avskiljningsgrad och i en styrd shunt (ej visad i Fig. l) släppa förbi erforderligt suspensionsflöde till "finsteget" 33.

Värmeinnehållet i den från bäddmaterial nära befriade rökgasen från cyklonerna 33 utnyttjas i ånggeneratorn 30 och dess ekonomiser 46. Efter slutrening i slangfiltret 47 släpps rökgasen efter tryckhöjning i fläkten 48 ut till atmosfären 49 vid ca l20°.

Den lägre effekten från gasturbinenheten 20 jämfört med den till sina delar i huvudsak identiska enheten 10 förorsakas av att enhetens 20 kraftturbin 22 arbetar med ^v400 mbar mottryck därigenom att dess avgas ca 86 kg/sek (ca 480°) utnyttjas som fluidiseringsgas (primärluft) och sekundär förbränningsluft i AFCBC-ånggeneratorns 30 förbränningsschakt 31, resulterande i ett luftöverskott av exempelvis 10%. Ett litet delföde av avgasen från kraftturbinen 22 utnyttjas som fluidiseringsgas i virvelbädden 50, vilken arbetar vid O,6<ß( (0,7 och gasen föres därifrån till förbränningsschaktet 31.

Den mättade högtrycksångan (l45 bar, 338°) från ånggeneratorn 30 och avgaspannan l7 överhettas i ånggeneratorn till 535° och föres till ångturbinenhetens 40 högtrycksdel 41. Ca 85% av avloppsångan från denna (34 bar, 328°)återöverhettas i ång- generatorn 30 till 535° och avspännes i lågtrycksdelen 42 mot vakuum i kondensorn 44 medan resten, inklusive viss avtapp- ningsånga från lågtrycksdelen, utnyttjas för matarvattenför- värmning 45. Turbingeneratorn 43 avger härvid 102.300 kWe.

Med avdrag för matarvattenpumpar mm på 2.300 kWe avger således kombikraftverket enligt utföringsexemplet av uppfinningen l30 MWe vilket innebär en nettoverkningsgradaw 45,6% - en avsevärt högre verkningsgrad än vad som kan uppnås med PFBC-konceptet.

Det kol, som utföringsexemplet baseras på, har 37% flyktigt vilket medför att 23% av elproduktionen kan ske i gasturbin- enheterna lO och 20. Om kol med 40% flyktigt väljes stiger andelen el, som produceras i gasturbinenheterna utöver 23%, vilket medför att nettoverkningsgraden blir >46%.

Om ett kraftverk, som arbetar enligt uppfinningssättet skulle ha baserats på kol med exvis 40% flyktigt och gasturbinerna l0 resp 20 dimensionerats därefter och det av någon anledning endast skulle vara möjligt förse verket med kol med exempelvis 30% flyktigt, skulle verkningsgraden sjunka och gasturbin- enheterna ej utnyttjas optimalt. I ett sådant fall är det ekonomiskt motiverat med tillsats av olja vid pyrolysen motsvarande de flyktiga substanser, som fattas i inmatat kol, trots att oljekalorierna är dyrare.

Ett kraftverk enligt utföringsexemplet får på känt sätt önskat lågt utsläpp av S02 genom tillsats av avpassat flöde av fin- fördelad kalksten till ånggeneratorns 30 förbränningsschakt 31 där bildad CaO binder S02 i form av CaSO4. För att uppnå öns- kat lågt S02-utsläpp upprätthålles avpassat överskott av CaO i cirkulationskretsen av bäddmaterial till ånggeneratorn 30.

Pyrogasen 35 från pyrolysbäddarna 34 blir i det närmaste fri från S pga att jämvikten ' cao + Hzs -å cas + H20 är förskjuten mycket långt åt höger vid 830°. Ca 60% av det S, som inmatas i pyrolysbäddarna med kolet, återfinnes i pyrokoksen, ca 7% i tjäran och ca 30% är bundet som CaS i det bäddmaterial, som lämnar pyrolysbäddarna 34.

Eftersom endast 30% av tjäran, innehållande ca 2% av med kolet i systemet inmatad S, utnyttjas för återuppvärmning (reheating) av turbinenhetens l0 avgas, hamnar 98% av inmatad S bundet vid pyrokoks, tjära och CaS i ånggeneratorns 30 förbränningsschakt 3l där det förbrännes vid 850° i närvaro av CaO. Detta innebär att kraftgenerering enligt uppfinnings- sättet kräver marginellt större tillsats av finfördelad kalksten än konventionell ACFBC för att uppnå samma låga S02-utsläpp i utgående rökgas.

NOX bildningen vid förbränning av fossila bränslen ökar starkt med förbränningstemperaturen men även med 02-koncentrationen.

Så är till exempel NOX-halten i rökgasen vid kolpulver- förbränning i brännare av flerstegstyp 400-500 mg NOx/Nm3 vid 50% luftöverskott vilket är normalt vid pulvereldning. Vid välskött ACFBC kan (80 mg NOx/Nm3 upprätthållas pga den låga förbränningstemperaturen (850°) och det låga luftöverskottet som erfordras vid hög utbränningsgrad (ca 99%).

Eftersom NOX-bildningen vid ACFBC till )50% härrör från det fossila bränslets innehåll av organiskt bundet N och ca 35% av detta avgår i form av N2 och NH3 under pyrolysen, minskas vid kraftgenering enligt uppfinningssättet tillförseln av organ- iskt bundet N till ånggeneratorns 30 förbränningsschakt 31 vilket medför att NOx-halten i rökgasen stannar vid (60 mg/Nm3. nl Enligt utföringsexemplet enligt uppfinningen erhålles ca 12% av elproduktionen i gasturbinenheten 10, vars bränsle utgöres av renad pyrogas. Avgasen 16 från enhet 10 innehåller ca 300 mg NOX/Nm3 om inga särskilda åtgärder vidtages. Ca 80% av NOx- utsläppet kan emellertid lätt elimineras på känt sätt genom tillsats av NH3 i molförhållandet NH3/NOx»f0,8 till den 360° varma avgasen 16 och låta gasblandningen passera en katalysator av känt slag. Avgasen kommer därefter att innehålla ca 60 mg NOx/Nm3 vid ca 5 mg NH3/Nm3 överskott.

Den NH3, som erhålles vid pyrolysen av det fossila bränslet, återfinnes i tjär-vattenfasen från reningen 36 av råpyrogasen och kan lätt utvinnas från denna och användas för ovannämnda denoxing-operation. I utföringsexemplet kan ca 15 g NH3/sek utvinnas från tjärvattnet. Denoxing-operationen av avgasen 16 kräver ca 2/3 härav och resten räcker till sänkning av NOx-halten i rökgasen från ACFBC-ånggeneratorn 30 från ca 60 till 10-15 mg NOx/Nm3 om så skulle önskas.

En stor fördel med tillsats av NH3 till rökgasen från ACFBC- ånggeneratorn 30 är att N20-halten i rökgasen, som enligt senaste rön visat sig betydande vid ACFBC, även minskar 20 bidrar till den s k växthuseffekten i lika hög grad som CFC (klorfluor- kraftigt. Detta är väsentligt eftersom N karboner) men även till nedbrytningen av ozonskiktet, varvid relativa betydelsen av N20 jämfört med CFC är 1:4.

Om på känt sätt gasturbinenhetens 10 brännkammare 13 tillföres ånga, exempelvis avtappningsånga vid 15 bar från ångturbin- enhetens 40 lågtrycksdel 42, vid ett flöde motsvarande 0,07 kg/Mcal tillfört bränsle, sjunker NOx-halten i avgasen 16 till ca 150 mg/Nm3 samtidigt som avgiven effekt stiger med ca 2,5%.

Eftersom avgiven effekt från ångturbinens 40 lågtrycksdel 42 därvid sjunker något pga avtappningen, blir nettoeffektök- .f 'x CI* CN! '*~ 'l *J f) \ 10 ningen ca 1%. Tillsats av NH3 till avgasen 16 i ovan angivna proportioner medför i detta fall att NOx-halten däri sjunker till ca 30 mg/Nm3 och genomsnittliga NOX-halten i de båda rökgasflödena från kraftverket enligt utföringsexemplet blir efter denoxing med hjälp av internproducerad NH3 < 20 mg/Nm3 - en synnerligen låg och miljövänlig nivå.

Sammanfattningsvis innebär elgenerering på basis av fasta fossila bränslens enligt föreliggande uppfinning följande väsentliga fördelar: mycket hög nettoverkningsgrad, som vid 40% flyktigt i inmatat kol överstiger 46% önskat lågt S02-utsläpp lågt NOx-utsläpp eller mycket lågt utsläpp om internproducerad NH3 utnyttjas för denoxing på känt sätt.

Claims (6)

I, *f .__,: ~_,-= 1 1 v* PATENTKRAV

1. l. Miljövänligt förfarande att på basis av förbränning av fasta fossila bränslen i en ACFBC-ànggenerator kombinerad med två gasturbinenheter och en ångturbinenhet producera elenergi med mycket hög verkningsgrad, k ä n n e t e c k n a t därav att det fossila bränslet (60), lämpligen innehållande >20% företrädesvis >30% flyktigt, först pyrolyseras i finfördelad form i kontakt med hett bäddmaterial i en fluidiserad pyrolys- bädd (34) genomfluten av ett styrt delflöde av hett bäddmate- rial från cirkulationsflödet i ACFBC-ånggeneratorn (30), vil- ket delflöde i blandning med bildad pyrokoks àterföres till ànggeneratorns (30) förbränningsschakt (31) där pyrokoksen tjänstgör som bränsle, medan bildad pyrogas (35), efter att på känt sätt befriats från stoft, tjära m.m. (36) utnyttjas som bränsle i den ena gasturbinenheten (10), vars avgas (16), lämpligen efter återuppvärmning (reheating), utnyttjas för produktion av ånga (17), lämpligen mättad högtrycksànga, medan den andra gasturbinenheten (20) drivs av tryckluft från dess högtryckskompressor (22) deluppvärmd på indirekt väg i en värmeväxlare (51) nedsänkt i en virvelbädd (50) av klassisk typ genomfluten av ett styrt delflöde av hett bäddmaterial från cirkulationskretsen i ACFBC-ånggeneratorn (30), varvid slutuppvärmningen av tryckluften sker genom förbränning direkt i densamma (24) av gas- och/eller vätskeformigt bränsle, lämp- ligen internproducerat sådant, företrädesvis pyrogas och var- vid gasturbinenheten ifråga arbetar med mottryck därigenom att avgasen från dess kraftturbindel (22) utnyttjas som förbrän- ningsluft i ACFBC-ånggeneratorn (30) vid densammas produktion av överhettad högtrycksànga för ångturbinenheten (40).

2. Förfarande enligt patentkrav l, k ä n n e t e c k n a t därav att separering av bäddmaterial från den heta rökgassus- pensionen, vanligen med l0-80 kg/m3 bäddmaterial, som lämnar toppen av ACFBC-ànggeneratorns (30) förbränningsschakt (31), sker i två steg: ett första “grovste9" (32) där rökgassuspen- ~a \ _11 (I lß sionens innehåll av bäddmaterial sänks med 60-90% samt ett “finsteg“, lämpligen av cyklontyp, där innehållet nedbríngas till 4-3% av suspensionens ursprungliga innehåll av bäddmate- rial, varvid materialet från "grovsteget“ (32) införes under f) bäddytan i virvelbädden (50) med värmeväxlaren (51) och åter- föres via bräddavlopp till ànggeneratorns (30) förbrännings- schakts (31) undre del och varvid virvelbädden (50) fluidise- ras, lämpligen vid 0,6< E < 0,7, med hjälp av ett litet del- flöde av avgasen från mottrycksgasturbinens (20) kraftturbin (22) och avgasen (53) från virvelbädden (50) tillföres ång- generatorns (30) förbränningsschakt (31), samt materialet fràn “finsteget" (33) tillföres den fluidíserade pyrolysbädden (34) och därifrån återföres till ånggeneratorns (30) förbrännings- schakts (31) undre del via ett bräddavlopp.

3. Förfarande enligt patentkrav l eller 2, k ä n n e - t e c k n a t därav att fördelningen av det bäddmaterial, som avskiljes i "grovsteget“ (32) resp. “finsteget“ (33), styres så att temperatursänkningen hos bäddmaterialet, som flyter genom pyrolysbädden (34) lämpligen blir <30:företrädes- vis anordning användes i “grovsteget" (32) att avpassat flöde av bäddmaterialsuspension mäste shuntas förbi steget för att nämnda mål skall uppnås.

4. Förfarande enligt något av patentkraven l-3, k ä n n e - t e c k n a t därav att det finfördelade fossila bränslet inblåses i den undre delen av pyrolysbädden (34), lämpligen av venturityp, varvid inblâsningen sker med hjälp av gentemot bränslet i huvudsak inert gas, lämpligen pyrogas (38), medan bädden omröres med gas av samma typ och varvid i bädden utvecklad ràpyrogas (35) avledes fràn dess topp och efter stofftavskiljning, lämpligen i hetcyklon, föres till rening och komprimering på känt sätt före utnyttjning som bränsle, företrädesvis i gasturbinenheterna. '3 “T *J Q' i I v,

5. Förfarande enligt något av patentkraven l-4, k ä n n e - t e c k n a t därav att den NH3 som bildas vid pyrolysen av det fossila bränslet tillvaratages och avpassat flöde därav utnyttjas på känt sätt för denoxing av i första hand avgasen från den pyrogaseldade gasturbinenheten (10) och i andra hand för denoxing av rökgasen från ACFBC-ånggeneratorn (30) i det fall mycket lågt totalutsläpp av NOx eftersträvas, i vilket fall nämnda gasturbinenhets brännkammare (13) på känt sätt tillföres avpassat flöde av ånga, lämpligen avtappningsånga från ångturbinens (40) lågtrycksdel (42).

6. Förfarande enligt något av patentkraven l-5, k ä n n e - t e c k n a t därav att olja tillföres till pyrolysbädden (34) som komplement till de flyktiga substanserna i inmatat kol.