DE69204188T2

DE69204188T2 - Gewinnung elektrischer Energie.

Info

Publication number: DE69204188T2
Application number: DE69204188T
Authority: DE
Inventors: Ronald Christipher Hodrien; Keith Robert Wild
Original assignee: British Gas PLC
Current assignee: BG Group Ltd
Priority date: 1991-03-06
Filing date: 1992-02-13
Publication date: 1996-02-08
Anticipated expiration: 2012-02-14
Also published as: EP0503772B1; GB9104716D0; US5253469A; GB2253407A; DE69204188D1; AU638633B2; AU1139092A; EP0503772A3; EP0503772A2; ZA921419B; ES2075609T3; GB2253407B; ATE126864T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die elektrische Energieerzeugung und insbesondere auf ein Verfahren zur elektrischen Energieerzeugung mit kombiniertem Zyklus.
Ein Kraftwerk mit kombiniertem Zyklus ist aus US-A-4631915 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren vorzusehen, bei dem ein Kohle-Hydrierungsprozeß verwendet wird.
Erfindungsgemäß besteht ein Verfahren zur elektrischen Energieerzeugung mit kombiniertem Zyklus aus folgenden Verfahrensschritten: (1) Einbringen von Kohle und wasserstoffreichem Gas in einen Kohlehydrierer bei einer erhöhten Temperatur, die geeignet ist, eine Kohlehydrierungs- Reaktion einzuleiten und aufrechtzuerhalten, Hydrieren der Kohle mit dem wasserstoffreichen Gas im Hydrierer, um eine verkohlte Masse bzw. Koks und ein erstes gasförmiges Produkt zu bilden; Entnahme des Kokses und des ersten gasförmigen Produktes aus dem Hydrierer; (II) Kühlung des ersten gasförmigen Produktes, um ein kondensiertes flüssiges Kohlenwasserstoffprodukt und ein übriges gasförmiges Produkt zu bilden; Trennung des flüssigen Kohlenwasserstoffproduktes vom übrigen gasförmigen Produkt; (III) Beseitigung von Verunreinigungen aus dem übrigen gasförmigen Produkt; (IV) Einspeisung von mindestens einem Teil des gereinigten übrigen gasförmigen Produktes in die Brennkammer einer Gasturbine, um gasförmige Verbrennungsprodukte zum Antrieb der Turbine zu bilden, wodurch die Gasturbine einen ersten elektrischen Generator antreibt, um elektrische Energie zu erzeugen; (V) Trennung eines Teils des gereinigten übrigen gasförmigen Produktes in ein erstes abgetrenntes Gas, welches ein wasserstoffreiches Gas ist, und in ein zweites abgetrenntes Gas, welches Methan und Kohlenmonoxid enthält, und, vor dem Verfahrensschritt (VI), Inkontaktbringen des Kokses mit dem ersten abgetrennten wasserstoffreichen Gas, um eine Entschwefelung des Kokses hervorzurufen; (VI) sowie Einbringen von mindestens einem Teil des Kokses in einen Boiler und Verbrennen des Kokses darin mit Luft, um Dampf zum Antrieb einer Dampfturbine zu erzeugen, wodurch die Dampfturbine einen zweiten elektrischen Generator antreibt, um elektrische Energie zu erzeugen. Eine oder mehrere Gasturbinen können durch die Verbrennungsprodukte angetrieben werden, und eine oder mehrere Dampfturbinen können durch den erzeugten Dampf angetrieben werden.
Zumindest ein Teil des zweiten abgetrennten Gases kann mit dem gereinigten übrigen gasförmigen Produktteil, welcher der Gasturbine bzw. den Gasturbinen eingespeist wird, gemischt werden.
Schwefelwasserstoff und wasserstoffhaltige Gase, die von der Entschwefelung des Kokses herrühren, können vom entschwefelten Koks getrennt und dann mit dem übrigen gasförmigen Produkt vor dem Entfernen von Verunreinigungen aus dem übrigen gasförmigen Produkt gemischt werden.
Zumindest ein Teil des flüssigen Kohlenwasserstoff- Produktes, das von dem übrigen gasförmigen Produkt getrennt ist, kann der Brennkammer einer Gasturbine eingespeist werden, um gasförmige Verbrennungsprodukte zum Antrieb der Gasturbine zu bilden, die einen elektrischen Generator antreibt, um elektrische Energie zu erzeugen. Diese Gasturbine kann die Gasturbine oder eine der Gasturbinen sein, die über das gereinigte übrige gasförmige Produkt angetrieben wird bzw. werden. Alternativ kann die über das flüssige Kohlenwasserstoffprodukt angetriebene Gasturbine eine separate Turbine sein.
Die flüssigen Kohlenwasserstoffprodukte können teilweise oder ganz gespeichert und aus dem Speicher, wenn erforderlich, zu Zeiten erhöhten oder Spitzen-Energiebedarfs verwendet werden. Ein derartiger Speicher kann die Notwendigkeit vermeiden, geeignete flüssige Brennstoffe zu kaufen oder künstlich herzustellen. Wahlweise können flüssige Kohlenwasserstoffprodukte aus einem solchen Speicher als Brennstoff oder chemisches Ausgangsmaterial verkauft werden.
Heiße ausgestoßene Verbrennungsprodukte aus den oder aus irgendeiner der Gasturbinen (ob unter Verwendung des gereinigten übrigen gasförmigen Produktes oder der flüssigen Kohlenwasserstoffprodukte) können durch einen oder mehrere Abwärme-Bailer geleitet werden, um weiteren Dampf zum Antrieb einer oder mehrerer Dampfturbinen zu erzeugen und einen elektrischen Generator anzutreiben, der elektrische Energie erzeugt. Diese Dampfturbine(n) kann bzw. können die oder eine der Dampfturbinen sein, die mittels des durch die Verbrennung des Kokses erzeugten Dampfes angetrieben wird bzw. werden, oder die oder jede Dampfturbine, die durch den Dampf von dem oder den Abwärme-Boiler(n) angetrieben wird, kann eine separate Turbine sein.
Aus dem Obigen ergibt sich, daß elektrische Energie nutzbringend aus flüssigen, gasförmigen und Verkokungsprodukten erzeugt werden kann, die durch den Kohlehydrierer erzeugt werden.
Obwohl eine neue Anlage gebaut werden kann, um die Erfindung auszuführen, wird das Verfahren oder das Prozeß- Schema, wie oben beschrieben, als besonders geeignet erachtet für eine "Nachrüstung" eines vorhandenen kohlebefeuerten Kraftwerks. Es ist daran gedacht, daß die verkohlte Masse bzw. der Koks einem vorhandenen kohlebefeuerten Boiler zugeführt werden könnte, wobei nur relativ geringfügige Abänderungen des Brenners und des Brennstoff-Zuführsystems erforderlich wären. Mit einer solchen Nachrüstung könnte die Energieausbeute aufrechterhalten oder erhöht werden. Abweichend von dem Fall mit Schemas, die auf Kohlevergasungs-Prozessen basieren, bei denen im wesentlichen die ganze Kohle direkt in gasförmige Produkte umgewandelt wird, ergibt darüber hinaus diese Nachrüstung für einen beträchtlichen Teil der gesamten Energieausbeute die Möglichkeit, durch Anwendung einer bekannten Boiler/Dampfturbinen-Technologie erzeugt zu werden, mit der die Betreiber am besten vertraut sein mögen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nunmehr beispielsweise auf die Zeichnung Bezug genommen, die ein schematisches Schaubild ist, welches das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht.
Nach der Zeichnung werden Kohle und wasserstoffreiches Gas bei erhöhtem Druck und einer erhöhten Temperatur, die sich zum Einleiten und Aufrechterhalten von Kohle-Hydrierungsreaktionen eignet, in einen Kohlehydrierer 1 eingebracht, in dem die Kohle durch das wasserstoffreiche Gas bei erhöhter Temperatur hydriert wird, um eine verkohlte Masse bzw. Koks und ein erstes gasförmiges Produkt zu bilden. Der Koks und das erste gasförmige Produkt werden dem Hydrierer 1 entnommen. Das erste gasförmige Produkt wird einem Gaskühler 2 zugeführt, wo ein kondensiertes flüssiges Kohlenwasserstoffprodukt und ein übriges gasförmiges Produkt aus dem ersten gasförmigen Produkt gebildet werden. Dieses den Gaskühler 2 verlassende übrige gasförmige Produkt wird durch eine Gasreinigungseinheit 3 hindurchgeleitet, wo Verunreinigungen wie Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid, Chlorwasserstoff und Ammoniak beseitigt werden. Zumindest ein Teil des gereinigten gasförmigen Produktes, das Methan, Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthält und aus der Gasreinigungseinheit 3 austritt, wird einer Gasturbine 4 zugeführt, wo es mit Luft in der Brennkammer 4a der Turbine 4 verbrannt wird, um gasförmige Verbrennungsprodukte zum Antreiben der Turbine zu bilden, die ihrerseits einen ersten elektrischen Generator 5 antreibt, um elektrische Energie zu erzeugen.
Das flüssige Kohlenwasserstoffprodukt, das im typischen Fall ein Gemisch von aromatischen Kohlenwasserstoffen umfassen würde, kann ebenfalls der Brennkammer 4a zugeführt und darin mit Luft verbrannt werden, um weitere gasförmige Verbrennungsprodukte für den Antrieb der Turbine zu bilden.
Alternativ kann das flüssige Kohlenwasserstoffprodukt einem Speicherbehälter 6 zugeführt werden, aus dem die Flüssigkeit bei Bedarf abgeleitet und der Brennkammer 4a zugeführt werden kann.
Ein weiterer Teil des gereinigten gasförmigen Produktes, das aus der Reinigungseinheit 3 austritt, kann einer Gastrenneinheit 7 zugeleitet werden, worin das gasförmige Produkt in ein erstes abgetrenntes Gas, welches ein wasserstoffreiches Gas (z.B. mindestens 50 Gewichtsprozent Wasserstoff) ist, und in ein zweites abgetrenntes Gas getrennt wird, welches Methan und Kohlenmonoxid enthält.
Immer noch unter erhöhtem Druck und bei Hydrierer- Austrittstemperatur wird der Koks aus dem Hydrierer 1 in eine Entschwefelungseinheit 8 eingespeist, in der ein Bett aus dem Koks für eine Durchschnittsperiode von 1 bis 20 Minuten bei einer Temperatur von 750 bis 900ºC und einem Druck von mindestens 20 bar gehalten werden kann, während das erste abgetrennte wasserstoffreiche Gas durch das Bett hindurchgeleitet wird, um eine Entschwefelung des Kokses herbeizuführen. Die Temperatur kann, falls erwünscht, auf einfache Weise durch Injizieren kleiner Mengen Luft oder Sauerstoff gehalten werden, um eine Verbrennung eines Teils des wasserstoffreichen Gases herbeizuführen. Der Koks wird dann gekühlt und im Druck reduziert (und wahlweise gespeichert), bevor er, wie nachfolgend beschrieben, verwendet wird.
Das zweite abgetrennte Gas aus der Trenneinheit 7, welches Methan und Kohlenmonoxid enthält, wird mit dem der Gasturbine 4 zugeführten Teil des gereinigten übrigen gasförmigen Produktes gemischt.
Als Ergebnis der Koks-Entschwefelung werden Schwefelwasserstoff und wasserstoffhaltige Gase gebildet, und diese Gase werden von dem entschwefelten Koks getrennt und mit dem aus der Gas-Kühlereinheit 2 austretenden gasförmigen Produkt und vor dem Einbringen in die Gas-Reinigungseinheit 3 gemischt.
Zumindest ein Teil des entschwefelten Kokses aus der Entschwefelungseinheit 8 wird einem mit Koks befeuerten Boiler 9 zugeführt, wo der Koks mit Luft verbrannt wird, um Dampf zu erzeugen, der eine Dampfturbine 10 antreibt, die ihrerseits einen zweiten elektrischen Generator 11 zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt.
Heiße gasförmige Verbrennungsprodukte werden aus der Gasturbine 4 ausgestoßen und durch einen Abwärme- oder Wärmerückgewinnungsboiler 12 geschickt, um weiteren Dampf zu erzeugen, der die Dampfturbine 10 antreibt, die ihrerseits wiederum den elektrischen Generator 11 antreibt.
Abgasprodukte aus dem Boiler 12 werden zur Esse 13 ohne weitere Reinigung abgeführt.
Die dem Hydrierer 1 zugeführte Kohle kann durch Trocknen und Zermahlen auf passende Abmessung aufbereitet werden, um dem Hydrierungsprozeß gerecht zu werden. Das wasserstoffreiche Gas, das dem Hydrierer zugeführt wird, kann durch eine bekannte Einrichtung von äußeren Quellen her vorgesehen werden, und zwar durch Umwandlung eines Teils des Gases oder der flüssigen Produkte unter Anwendung von Dampfreformierungs- oder Teiloxidationsprozessen oder durch Dampf-Sauerstoff-Vergasung eines Teils des Koksproduktes bei Anwendung bekannter Verfahren. In all diesen Fällen kann das resultierende Gasgemisch durch bekannte Verfahren gereinigt und aufbereitet werden. Das resultierende wasserstoffreiche Gas kann auf die erforderliche Hydrierer-Einlaßtemperatur vorgewärmt werden, und zwar durch bekannte Mittel, wie beispielsweise durch Wärmeaustausch mit dem heißen Gasprodukt, das den Kohlehydrierer verläßt.
Jeglicher unreagierter Wasserstoff, der in den aus der Reinigungseinheit 3 austretenden Gasen enthalten ist, kann wahlweise durch bekannte Mittel für die Rückführung zum Hydrierer 1 wiedergewonnen werden.
Die Anwendung der Kohlehydrierung in dem oben beschriebenen Schema ist vorteilhaft, weil sowohl Koks als auch flüssige Brennstoffe erzeugt werden können, die genügend geringe Mengen an Schwefel, Stickstoff und Chlor enthalten (die alle Vorläufer für Emissionen von "saurem Regen" sind), damit eine hohe Minderung von Emissionen "sauren Regens" bereits ohne die Notwendigkeit für nachteilige und kostspielige Nachfolgebehandlungen der Rauchgase, wie beispielsweise NOx- Beseitigung und Entschwefelung, erzielt wird. Bei dem oben beschriebenen Prozeß werden Verunreinigungen (einschließlich S, N und Cl) in einer chemisch reduzierten Form in den Produktgasstrom abgeführt, aus dem sie ökonomisch auf niedrigere Niveaus beseitigt werden können, und zwar durch Anwendung einer Vielfalt von bekannten Gasaufbereitungsprozessen. Die Einrichtung kann wegen hoher Betriebsdrücke (die zu kleinen Gasvolumen führen) und sehr rapider Reaktionsraten im Wasserstoff kompakt erstellt werden.
Untersuchungen haben gezeigt, daß ein Hydrierungsprozeß auf der Basis desjenigen, der in der veröffentlichten GB- Patentanmeldung Nr. 2121426 A beschrieben wird, besonders vorteilhaft für den Hydrierungsschritt im vorliegenden Schema ist, weil: -
a) ein hoher Wirkungsgrad mit dem Prozeß erzielt werden kann,
b) kontrollierte Mengen von sauberen Kohlenwasserstoff- Produkten ohne Anwendung von extremen Betriebsbedingungen erzeugt werden können,
c) eine Kombination von Hydrierer-Anordnung und Betriebsbedingungen eingesetzt werden kann, die, wie sich herausgestellt hat, zu folgendem führt:-
- zu einem sehr niedrigen Pegel von S, N und Cl enthaltenden Verunreinigungen sowohl im Koks als auch in den flüssigen Produkten; im typischen Fall sind die Pegel der Beseitigung von S, N und Cl: S - 70 bis 85 %, N - 45 bis 55 %, Cl - 90 bis 95 % (und durch Anwendung des zusätzlichen Entschwefelungsschrittes - siehe Einheit 8 in der Zeichnung - wurde festgestellt, daß die Ausscheidung von S bis auf 90 % oder mehr erhöht werden kann),
- zu einem Koks, der sowohl besonders brennbar (und daher besonders geeignet für die Einspeisung in den koksbefeuerten Boiler 9) als auch sehr reaktiv ist in Richtung auf eine weitere schnelle Entschefelung in einer Atmosphäre, die Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen enthält (wie in Einheit 8),
- und zu einem flüssigen Produkt, das von niedrigem Siedebereich und niedriger Viskosität ist und somit leicht als Gasturbinen- oder Boilerbrennstoff brennbar ist oder als ein Produkt für Brennstoff oder chemische Nutzung wertvoll ist, und
d) die Verwendung einer Kohle von herkömmlichem Feinheitsgrad, bekannt als pulverisierter Brennstoff bzw. Brennstoffstaub, führt zu einem Koks mit einem geeigneten Feinheitsbereich für die Verwendung in herkömmlichen Boilern, die für Staubbrennstoff-Befeuerung ausgelegt und speziell in einer Nachrüstungs-Situation nützlich sind.
Untersuchungen hinsichtlich der Verwendung des Kohlehydrierungsverfahrens nach GB 2121426 A, jedoch bei Verwendung von Stickstoff und nicht Wasserstoff als das Kohletransportgas, haben gezeigt, daß gute Erträge an hochqualitativen Flüssigkeiten, die bis zu etwa 18 % Kohlenstoffgehalt der Kohle repräsentieren, erzielt werden können, bei angemessenen und effizienten Betriebsbedingungen von: Drücken oberhalb 20 bar; Reaktionszeiten von 5 bis 50 Sekunden; Temperaturen von 750 bis 870ºC; und einem Gas- Rezirkulations-Verhältnis von 2 zu 10 Vol/Vol. Es hat sich herausgestellt, daß diese Bedingungen zu einem guten thermischen Wirkungsgrad und einer weniger schweren Beanspruchung der Materialien der Konstruktion des Hydrierers führen. Es ist anzunehmen, daß dies auf die nützlichen Effekte der internen Rezirkulation von Gas in diesem Reaktionsprozeß zurückzuführen ist, der den Umwandlungsprozeß bei diesen milden Bedingungen stabilisiert. Es hat sich außerdem herausgestellt, daß die erzeugten Kohlenwasserstoff- Flüssigkeiten in ihrer Beschaffenheit leichter, verdampfungsfähiger und weniger viskos und im wesentlichen frei von lästiger schwerer Rest- oder "Pech"-Fraktion sind, die aus anderen thermischen Kohle-Umwandlungsprozessen, wie beispielsweise Koksöfen (Karbonisierung) oder Kohleverflüssigung herrühren können. Insbesondere haben die Untersuchungen gezeigt, daß die erzeugten Kohlewasserstoff- Flüssigkeiten im vorliegenden Verfahren 30 bis 90 % wertvolles Benzol enthalten können.

Claims

1. Verfahren zur elektrischen Energieerzeugung mit kombiniertem Zyklus, bestehend aus folgenden Verfahrensschritten:

I) Einbringen von Kohle und wasserstoffreichem Gas in einen Kohlehydrierer bei einer erhöhten Temperatur, die geeignet ist, eine Kohlehydrierungs-Reaktion einzuleiten und aufrechtzuerhalten, Hydrieren der Kohle mit dem wasserstoffreichen Gas im Hydrierer, um eine verkohlte Masse bzw. Koks und ein erstes gasförmiges Produkt zu bilden; Entnahme des Kokses und des ersten gasförmigen Produktes aus dem Hydrierer;

II) Kühlung des ersten gasförmigen Produktes, um ein kondensiertes flüssiges Kohlenwasserstoffprodukt und ein übriges gasförmiges Produkt zu bilden; Trennung des flüssigen Kohlenwasserstoffproduktes vom übrigen gasförmigen Produkt;

III) Beseitigung von Verunreinigungen aus dem übrigen gasförmigen Produkt;

IV) Einspeisung von mindestens einem Teil des gereinigten übrigen gasförmigen Produktes in die Brennkammer einer Gasturbine, um gasförmige Verbrennungsprodukte zum Antrieb der Turbine zu bilden, wodurch die Gasturbine einen ersten elektrischen Generator antreibt, um elektrische Energie zu erzeugen;

V) Trennung eines Teils des gereinigten übrigen gasförmigen Produktes in ein erstes abgetrenntes Gas, welches ein wasserstoffreiches Gas ist, und in ein zweites abgetrenntes Gas, welches Methan und Kohlenmonoxid enthält, und, vor dem Verfahrensschritt VI), Inkontaktbringen des Kokses mit dem ersten abgetrennten wasserstoffreichen Gas, um eine Entschwefelung des Kokses hervorzurufen;

VI) sowie Einbringen von mindestens einem Teil des Kokses in einen Boiler und Verbrennen des Kokses darin mit Luft, um Dampf zum Antrieb einer Dampfturbine zu erzeugen, wodurch die Dampfturbine einen zweiten elektrischen Generator antreibt, um elektrische Energie zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zumindest ein Teil des zweiten abgetrennten Gases mit dem gereinigten übrigen gasförmigen Produktteil gemischt wird, der der Gasturbine eingespeist wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Schwefelwasserstoff und wasserstoffhaltige Gase, die von der Entschwefelung des Kokses herrühren, vom entschwefelten Koks getrennt und mit dem übrigen gasförmigen Produkt vor dem Entfernen von Verunreinigungen aus dem übrigen gasförmigen Produkt gemischt werden.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Teil des flüssigen Kohlenwasserstoff- Produktes, das von dem übrigen gasförmigen Produkt getrennt ist, der Brennkammer einer Gasturbine eingespeist wird, um gasförmige Verbrennungsprodukte zum Antrieb der Gasturbine zu bilden, die einen elektrischen Generator antreibt, um elektrische Energie zu erzeugen.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem heiße ausgestoßene Verbrennungsprodukte aus der, einer oder jeder Gasturbine durch einen oder mehrere Abwärme-Boiler geleitet werden, um weiteren Dampf zum Antrieb einer oder mehrerer Dampfturbinen zu erzeugen und einen elektrischen Generator zum Erzeugen elektrischer Energie anzutreiben.