DE3609237A1 - Verfahren zur verbrennung eines schwefelhaltigen brennstoffs mittels der verwendung einer gasturbine - Google Patents
Verfahren zur verbrennung eines schwefelhaltigen brennstoffs mittels der verwendung einer gasturbineInfo
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Description
GENERAL ELECTRIC COMPANY, SCHENECTADYx N.Y. / USA
Verfahren zur Verbrennung eines schwefelhaltigen
Brennstoffs mittels der Verwendung einer Gasturbine
Die Erfindung betrifft im wesentlichen ein Verfahren zur Verbrennung eines schwefelhaltigen Brennstoffs
zur Erzeugung von Elektrizität mittels einer Gasturbine.
Eine Gasturbine verfeuert Brennstoff und ein komprimiertes
Arbeitsgas, gewöhnlich Luft, in einem Brennraum zur Bildung eines Verbrennungsstroms, der in einer Turbine
zwecks Erzeugung von Elektrizität expandiert wird.
Der Brennstoff ist in der Regel ein Kohlenwasserstoff/
der Kohlenstoff und Wasserstoff enthält, die zusammen mit dem Sauerstoff des Arbeitsgases in exothermen
Reaktionen verbrannt werden, um jeweils Kohlendioxid und Wasser zu ergeben. Ein Beispiel eines geeigneten
Brennstoffs ist Naturgas. Enthält der in einer Gasturbine
zu verwendende Brennstoff Schwefel, so muss der Brennstoff vor der Verbrennung zur Beseitigung des
Schwefels behandelt werden, um eine mit dem Schwefel verbundene Verunreinigung sowie dabei auftretende
Korrosionsprobleme zu beseitigen.
Bei einem typischen Schwefelbehandlungsverfahren wird
der Brennstoff behandelt, um einen sauren Gasstrom und einen gereinigten Brenngasstrom zu ergeben, der
im wesentlichen keinen Schwefel oder keine Schwefelverbindungen
enthält. Das saure Gas kann anschIiessend zur Rückgewinnung
des Schwefels und eines Nach lauf gases behandelt werden, das aus Kohlendioxid und Spuren von Verunreinigungen,
wie beispielsweise WasserstoffsuIfid (H2S) und
Carbony Isulfid (COS), besteht. Im Hinblick auf
Verschmutzungsgefahren müssen diese Verbindungen normalerweise
aus dem Kohlendioxid vor dessen Freigabe zur Umgebung entfernt werden. Eine derartige Entfernung kann durch
Verbrennen der Verbindungen mit Sauerstoff zur Bildung
von Schwefeldioxid in einem Verbrennungsofen
erfolgen, wobei das Schwefeldioxid über einen Schornstein
zur Atmosphäre austritt. Jedoch erfordert eine derartige Verbrennung eine Brennstoffque 11e, um die Temperatur
des Kohlendioxid enthaltenden Nach lauf gases auf einen Wert anzuheben, welcher die Verbrennung der
Schwefelverbindungen gewährleistet .
Bei einem bekannten Verfahren zur Verbrennung eines schwefelhaltigen Brennstoffs wird eine geringe
Strömung des gereinigten Brenngases zum Verbrennungsofen
abgezweigt, um die aus SchwefeLverbindungen bestehenden
Verunreinigungen zu verbrennen. Da dieser abgezweigte Strom aus gereinigtem Brenngas nicht zur Erzeugung
von Elektrizität oder Arbeit in der Gasturbine verwendet
wird, ist er in der Tat "verloren" und verringert
somit den Gesamtwirkungsgrad des Leistungszyklus.
Ein Verfahren zur Behandlung eines WasserstoffsuIfid
enthaltenden Nach laufgases ist in der US-PS 4 331 603
(Van Pool) beschrieben. Dieses Verfahren beschreibt die Vereinigung des Brenngases und des Nach laufgases
für ihrer Zuführung zum Verbrennungsofen, zwecks
Erzielung einer annehmbaren Verbrennung bei einer im Vergleich zu bekannten Verfahren merklich niedrigeren
Schornsteintemperatur. Dieses Verfahren verringert
zwar wesentlich die Menge des für die Verringerung der Schwefelverunreinigung "verlorenen" Brennstoffs,
erfordert jedoch noch die Verwendung des Verbrennungsofens.
Es besteht somit ein Bedarf für ein Verfahren zur Verbrennung schwefelhaltigen Brennstoffs, bei welchem
die Menge des zur Verminderung von Verunreinigungen
"verlorenen" gereinigten Brennstoffs verringert wird, so dass der Gesamtwirkungsgrad der Elektrizitätserzeugung,
ausgehend von schwefelhaltigen Brennstoffen, erhöht
wird. Dieser Bedarf ist besonders dringend bei Brennstoffen, die eine grosse Menge Schwefel aufweisen,
die entsprechend eine grössere Menge an "verlorenem" Brennstoff zur Verbrennung der erhöhten SchwefeIverunreinigungen
im Nachlaufgas erfordert.
Gemäss der vorLiegenden Erfindung werden schwefeLhaLtige
Brennstoffe einem SchwefeLbehandLungsverfahren unterzogen,
um einen gereinigten Brenngasstrom von einem Nach Laufgas
abzutrennen, das SchwefeLverunreinigungen enthäLt,
die anschLiessend in einem Brennraum einer Gasturbine
mit dem gereinigten Brenngasstrom verbrannt werden.
Gemäss einem anderen Aspekt der Erfindung können die Verunreinigungen auch in einer zusätzLichen Feuerungseinheit
verbrannt werden, die in Verbindung mit der Gasturbine verwendet wird.
Wird ein schwefeLhaLtiger Brennstoff zur Erzeugung
von ELektrizität mitteLs einer Gasturbine im EinkLang mit der vorLiegenden Erfindung verwendet, so wird
der Gesamtwirkungsgrad der ELektrizitätserzeugung
erhöht, insbesondere bei Brennstoffen mit einem hohen SchwefeLgehaLt, da kein Brennstoff in einem
Verbrennungsofen "verloren" wird, in weLchem die
SchwefeLverunreinigungen verbrannt werden. Darüber
hinaus wird die exotherme Verbrennung der SchwefeLverunreinigungen in der Tat dazu verwendet,
zur Erhöhung der Stromerzeugung der Gasturbine beizutragen
oder um die Temperatur eines der Gasturbine zugehörigen Abwärmestroms zu steigern, um dadurch dazu beizutragen,
den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen. Da ferner eine
Verbrennung des Nachlauf gases nicht mehr erforderLich ist, sind die durch einen Verbrennungsofen auftretenden
Kapitalkosten nicht mehr vorhanden.
Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung von ELektrizität
aus schwefelhaltigen Brennstoffen zu schaffen. Zusätzliche
Aufgabenstellungen und Vorteile ergeben sich für den
Fachmann in Verbindung mit der an sch Iiessenden
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und
den anliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung
eines erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 2 eine schematische Darstellung
eines weiteren erfindungsgemässen
Verfahrens, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung
eines dritten erfindungsgemässen Verfah rens.
Es hat sich gezeigt, dass die vorliegende Erfindung sich besonders zur Verwendung in einem Verfahren zum
Verbrennen vergaster schwefelhaltiger Kohle mittels
der Verwendung einer Gasturbine eignet. Im Einklang hiermit werden die bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung
mit der Verwendung vergaster Kohle beschrieben; es ist jedoch für den Fachmann erkennbar, dass die anschIiessend
beschriebenen Verfahren auch bei der Verbrennung von
anderen schwefelhaltigen Brennstoffen in Verbindung
mit der Verwendung einer Gasturbine eingesetzt werden können .
Drei bevorzugte erfindungsgemässe Verfahren werden in
den Fig. 1 bis 3 beschrieben, gemäss welchen ein Strom
von KohLe (100) einer KohLevergasungseinheit (101)
zur Vergasung der KohLe (100) zugeführt wird. Nach der
Vergasung wird das Gas (1) einer SchwefeLbehandLungseinheit
(102) zugeführt, weLche den (nicht dargesteLLten) SchwefeL
aus dem Gas (1) entfernt, womit ein gereinigter Brenngasstrom (2) und ein Nach Laufgasstrom (3) erzeugt
werden, der KohLendioxid und schwefeLhaLtige Verunreinigungen
enthäLt, beispieLsweise CarbonyLsuLfid und WasserstoffsuLfid
Die Verfahren der KohLevergasungseinheit und der
SchwefeLbehandLungseinheit (102) sind nicht in engen
Grenzen kritisch und sind dem Fachmann geLäufig.
Bei dem in Fig. 1 dargesteLLten Verfahren wird das
gereinigte Brenngas (2) einem Brennraum (112) einer Gasturbine (200) zugeführt. Der Nach Laufgasstrom (3)
und ein Arbeitsgas (10) werden dem Kompressor (111) der Gasturbine (200) zugeführt, durch weLchen sie
in einen komprimierten Strom (11) verdichtet werden,
der dem Brennraum (112) zugeführt wird. Das Arbeitsgas (10) enthäLt ausreichend Sauerstoff, um im Brennraum
(112) einen stöchiometrisehen überschuss an Sauerstoff
zu Liefern. Der gereinigte Brenngasstrom (2) und die
schwefeLhaLtigen Verunreinigungen werden im Brennraum
(112) mit einem stöchiometrisehen Sauer stoffüberschuss
verbrannt, um einen Verbrennungsstrom (12) zu Liefern,
der dem Laufrad (113) der Gasturbine (200) zugeführt wird, in weLcher er expandiert und eine expandierte
Strömung (13) ergibt und dabei die Leistung zum Antrieb des Kompressors (111) und zur Stromerzeugung im
Generator (114) Liefert.
Gemäss dem Verfahren nach Fig. 2 wird der Nach Laufgasstrom
(3) zusammen mit einem zusätzlichen Brennstoffstrom
(31) einer zusätzlichen Feuerungseinheit (212) zugeführt,
anstatt dem Kompressor (111) zugeleitet zu werden. Der gereinigte Brenngasstrom (2) wird weiterhin dem
Brennraum (112) zugeführt, wie es beim Verfahren nach Fig. 1 dargestellt ist. Die Schwefel enthaltenden
Verunreinigungen und der zusätzliche Brennstoffstrom
(31) werden in der zusätzlichen Feuerungseinheit (212)
verbrannt, um einen erhitzten zusätzlichen Strom (22) zu liefern, der einer Energieerzeugervorrichtung (213)
zugeführt wird. Der erhitzte zusätzliche Strom (22) kann gegebenenfalls mit dem expandierten Strom (13)
zur Bildung eines Abwärmestroms vereinigt werden, der
anschIiessend einer Energieerzeugervorrichtung oder
einem Abwärme-Rückgewinnungssystem zugeführt wird. Die
Energieerzeugervorrichtung (213) kann ein Dampfgenerator,
ein Abwärme-Heizkessel oder eine andere
Warmerückgewinnungsvorrichtung sein. Ferner könnte der
zusätzliche Strom (22), falls er verdichtet wird, dem Brennraum (112) zur Verwendung in der Gasturbine (200)
zugefüh rt werden.
Beim Verfahren nach Fig. 3 wird der Nach laufgasstrom
(3) in einen ersten Nach laufgasstrom (4) und einen zweiten Nachlaufgasstrom (5) unterteilt. Der erste
Nachlaufgasstrom (4) wird dem Kompressor (111) zugeführt,
während der zweite Nach laufgasstrom (5) der zusätzlichen
Feuerungseinheit (212) zugeleitet wird. Der übrige Teil des Verfahrens verbindet die Stufen der in den
Fig. 1 und 2 dargestellten Verfahren.
Aus den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Verfahren
ist ersichtlich, dass der Nachlaufgasstrom (3) in einer
Verbrennungseinheit verbrannt werden kann, die den
Brennraum (112), die zusätzliche Feuerungseinheit (212) oder sowohl den Brennraum (112) und die zusätzliche
Feuerungseinheit (212) umfassen kann. Jedoch ist im
Gegensatz zum Stand der Technik eine derartige Verbrennung nicht "verloren" da die Verbrennung in Verbindung mit
der Energieerzeugung mittels einer Gasturbine ausgenützt
wird. Somit liefert die Verbrennung einen Verunreinigung-Verbrennungsstrom,
der wirksam einer Energieerzeugervorrichtung
zugeführt wird, in welcher der zur erhöhten Temperatur des Verbrennungsstroms (12) oder des erhitzten zusätzlichen
Stroms (22) beiträgt. Sowohl die eine als auch die andere Verwendung des Verunreinigung -Verbrennungsstroms
trägt zur Erhöhung des Wirkungsgrads des Dampf genera tors
(200) bei. Selbstverständlich hängt der erhöhte
Wirkungsgrad von mehreren Parametern ab, einschIiess I ich
der Menge des je Brennstoffeinheit erzeugten Nach laufgases.
Jedoch ergeben Schätzungen, die auf theoretischen
Berechnungen unter Verwendung von Kohle als Brennstoffquel Le
basieren, dass die gesamten Energieersparnisse in der
Grössenordnung von näherungsweise 0,5 bis näherungsweise
1,0 % sind, die sich aus der Verbrennung der schwefelhaltigen
Verunreinigungen im Brennraum (112) und/oder der
zusätzlichen Feuerungseinheit (212) im Vergleich zu
bekannten Verfahren ergeben, bei welchen die Verunreinigungen
mit einem Teil des gereinigten Brenngas stroms (2) in
einem separaten Verbrennungsofen verbrannt würden.
Weitere Abänderungen gegenüber der Beschreibung und
den Zeichnungen sind für den Fachmann offensichtlich
und werden im Rahmen der anliegenden Ansprüche von der Erfindung mit umfasst.
Claims (21)
- 43 604 /waGENERAL ELECTRIC COMPANY, SCHENECTADY, N.Y. / USAVerfahren zur Verbrennung eines schwefelhaltigen Brennstoffs mittels der Verwendung einer GasturbinePATENTANSPRÜCHEj 1.) Verfahren zur Verbrennung eines schwefelhaltigenBrennstoffs mittels der Verwendung einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:Unterziehen des Brennstoffs einem Schwefelbehandlungsprozess;.Abtrennen eines gereinigten Brenngasstroms und eines Nach laufgases, das Kohlendioxid und eine Schwefel enthaltende Verunreinigung enthält;laZuführung des gereinigten Brenngasstrom zu einem Brennraum der Gasturbine;Zuführen eines Arbeitsgases in einen Kompressor der Gasturbine;Zuführen eines Stroms des Nach Laufgases in den Kompressor;Komprimieren des Arbeitsgases und des NachLaufgases in einen komprimierten Strom im Kompressor der Gasturbine;Zuführen des komprimierten Stroms in den Brennraum;Jf Zuführen des gereinigten Brenngasstroms und derVerunreinigung in den Brennraum zur Bildung eines Verbrennungsstroms; undZuführen des Verbrennungsstroms zu einem Laufrad der Gasturbine, in welcher der Verbrennungsstrom zur BiLdung eines expandierten Stromes expandiert wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff Kohle ist, die vergast wird, bevor sie dem SchwefeIbehandLungsverfahren unterzogen wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in denKompressor geleitete NachLaufgasstrom im wesentlichen aus dem gesamten Nachlaufgas vom gereinigten Brenngasstrom abgetrennt wurde.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte:Zuführen eines zusätzlichen Brennstroms zu einer zusätzlichen Feuerungseinheit;Zuführen eines zweiten Stroms des Nach laufgases in die zusätzliche Feuerungseinheit;Verbrennen des zusätzlichen Verbrennungsstroms und der Verunreinigung in der zusätzlichen Feuerungseinheit zur Bildung eines erhitzten zusätzlichen Stroms; undZuführen des erhitzten zusätzlichen Stroms zu einer Energieerzeugervorrichtung.
- 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dassdie Energieerzeugervorrichtung einen Dampfgenera tor umfasst.
- 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erhitzte zusätzliche Strom zum Brennraum der Gasturbine geleitet wird.
- 7. Verfahren zur Verbrennung eines schwefelhaltigenBrennstoffs mitteLs der Verwendung einer Gasturbine, dadurch gekennzei chnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:Unterziehen des Brennstoffs einem Sc hwefelbehandLungsverfahren;Abtrennen eines gereinigten Brenngasstroms und eines Nach laufgases, das Kohlendioxid und eine Schwefel aufweisende Verunreinigung enthält;Zuführen des gereinigten Brenngasstroms zum Brennraum der Gasturbine;Komprimieren eines Arbeitsgases zu einem komprimierten Strom in einem Kompressor der Gasturbine;Zuführen des komprimierten Stroms in den Brennraum;Verbrennen des gereinigten Brenngasstroms im Brennraum zur Bildung eines Verbrennungsstroms;Zuführen des Verbrennungsstroms zu einer Turbine der Gasturbine/ in welcher der Verbrennungsstrom zur Bildung eines expandierten Stroms expaniert wird;Zuführen eines zusätzlichen Brennstroms zu einer zusätzlichen Feuerungseinheit;Zuführen eines Stroms des Nach laufgases in die zusätzliche Feuerungseinheit;Verbrennen des zusätzlichen Brennstroms und der Verunreinigung in der zusätzlichen Feuerungseinheit zur Bildung eines erhitzten zusätzlichen Stroms;Vereinigen des erhitzten zusätzlichen Stroms und des expandierten Stroms zur Bildung eines Abwärmestroms und Zuführen des Abwärmestroms zu einem Abwärmerückgewinnungssystem.
- 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff Kohle ist, die vergast wird, bevor sie dem Schwefe Ibehandlungsverfahren unterzogen wird.
- 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwärme-Rückgewinnungssystem eine Dampfturbine umfasst.
- 10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwärme-Rückgewinnungssystem einen Abwärme-Heizkessel umfasst.
- 11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgas einen zweiten Strom des Nach laufgases und Luft umfasst.
- 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzei chnet , dass die im zweitenNachLaufgasstrom enthaLtene Verunreinigung im Brennraum verbrannt wird.
- 13. Verbessertes, bezügLich der Energieausnützung wirksames Verfahren zur Verbrennung eines schwefeLhaLtigen Brennstoffs mitteLs der Verwendung einer Gasturbine, bei weLchem der Brennstoff einem SchwefeLbehandLungsverfahren unterzogen wird, um einen gereinigten Brenngasstrom von einem NachLaufgas zu trennen, das KohLendioxid und eine SchwefeL enthaLtende Verunreinigung umfasst, und der gereinigte Brenngasstrom in einem Brennraum der Gasturbine mit einem Arbeitsgas verbrannt wird, um einen Verbrennungsstrom zu erzeugen, der einem Laufrad der Gasturbine zugeführt wird, in weLchem er zur BiLdung eines expandierten Stroms expandiert wird,dadurch gekennzeichnet, dass das NachLaufgas einer Verbrennungseinheit zugeführt wird, in weLcher die Verunreinigung zur BiLdung eines Verunreinigung-Verbrennungsstroms verbrannt wird, und dass der Verunreinigung-Verbrennungsstrom einer Energieerzeugervorrichtung zugeführt wird, um den Wirkungsgrad der Dampfturbine zu erhöhen.
- 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzei chnet, dass der Brennstoff KohLe ist, die vergast wird, bevor sie dem SchwefeLbehandLungsverfahren unterzogen wird.
- 15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurchg e k e η η ζ e i c h η e t , dass die Verbrennungseinheit den Brennraum der Gasturbine umfasst.
- 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verunreinigung und der gereinigte Brenngasstrom mit einem stöchiometrise hen Sauerstoff Überschuss verbrannt werden.
- 17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungseinheit eine zusätzliche Feuerungseinheit umfasst.
- 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verunreinigung -Verbrennungsstrom dem Brennraum der Gasturbine zugeführt wird.
- 19. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dassdie Energieerzeugervorrichtung einen Dampfgenerator umfasst.
- 20. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verunreinigung -Verbrennungsstrom und der expandierte Strom vereinigt werden, um einen Abwärmestrom zu b i L d e η .
- 21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerzeugervorrichtung ein Abwärme-Rückgewinnungssystem umfasst.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: SCHUELER, H., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT., PAT.-ANW., |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |