DE69226287T2 - METHOD FOR ENERGY RECOVERY FROM A COMBUSTIBLE GAS - Google Patents
METHOD FOR ENERGY RECOVERY FROM A COMBUSTIBLE GASInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Rückgewinnung von Energie aus einem während der Vergasung von Zellstoffablaugen erzeugten Brenngas, wobei die Verbesserung eine Kühizone beinhaltet, in der das Brenngas unter gleichzeitiger Rückgewinnung von fühlbarer Wärme und latenter Wärme in einem oder mehreren Wärmetauschern auf eine Temperatur unter 150ºC abgekühlt wird, und das gekühlte Brenngas zur Verwendung als Brennstoff in einem Rekuperativgasturbinenkreislauf mit Wasser- und/oder Dampfeinspritzung abgeführt wird.The present invention relates to an improved process for recovering energy from a fuel gas produced during the gasification of pulp waste liquors, the improvement including a cooling zone in which the fuel gas is cooled to a temperature below 150°C with simultaneous recovery of sensible heat and latent heat in one or more heat exchangers, and the cooled fuel gas is discharged for use as fuel in a recuperative gas turbine cycle with water and/or steam injection.
Das Kraft-Verfahren stellt derzeit das dominierende Holzaufschlußverfahren dar. Während des Aufschlusses werden in Form von Schwarzlauge große Mengen an wiedergewinnbarer Energie erzeugt. Weltweit wurden 1990 ungefähr 2,8 Milliarden GJ (780 TWh) Schwarzlauge in Kraft-Zellstoffabriken erzeugt.The kraft process is currently the dominant wood pulping process. During the pulping process, large amounts of recoverable energy are generated in the form of black liquor. Worldwide, approximately 2.8 billion GJ (780 TWh) of black liquor were produced in kraft pulp mills in 1990.
Die Kraft-Rückgewinnungsanlage hat zwei Hauptfunktionen:The power recovery system has two main functions:
i) Rückgewinnung und Wiederaufbereitung der anorganischen Kochchemikalien.i) Recovery and recycling of inorganic cooking chemicals.
ii) Rückgewinnung des Energiewerts des organischen Materials als Betriebsdampf und elektrische Energie.(ii) Recovery of the energy value of the organic material as operating steam and electrical energy.
Der chemische Rückgewinnungsprozeß trägt wesentlich zur Kapitalintensität des Kraft-Verfahrens bei. Etwa 35% der Kapitalkosten einer modernen Zellstoffabrik gehen auf den Rückgewinnungsprozeß zurück.The chemical recovery process contributes significantly to the capital intensity of the Kraft process. About 35% of the capital costs of a modern pulp mill are attributable to the recovery process.
Als heute vorherrschende Technik zur Rückgewinnung von Chemikalien und Energie aus Schwarzlauge dient der Tomlinson-Rückgewinnungskessel, eine Technologie, die vor gut fünfzig Jahren eingeführt wurde. Zwar hat sich diese Technologie durchgesetzt, die herkömmliche Rück gewinnungstechnologie weist aber dennoch einige wohlbekannten Nachteile auf.The predominant technology for recovering chemicals and energy from black liquor today is the Tomlinson recovery boiler, a technology that was introduced over fifty years ago. Although this technology has become widely accepted, traditional recovery technology still has some well-known disadvantages.
In den meisten Fällen stellt der Rückgewinnungskessel mit dem ihm innewohnenden Mangel an Flexibilität den wichtigsten Produktionsengpaß in der Zellstoffabrik dar. Die kostengünstigere Produktion im größeren Maßstab bedingt Anlagen mit großer Kapazität.In most cases, the recovery boiler, with its inherent lack of flexibility, is the main production bottleneck in the pulp mill More cost-effective production on a larger scale requires large-capacity plants.
Als weitere Nachteile ergeben sich der niedrige Wärmewirkungsgrad und die Gefahr von Schmelzwasserexplosionen, die wiederum ein Sicherheitsproblem darstellen.Further disadvantages include low thermal efficiency and the risk of meltwater explosions, which in turn represent a safety problem.
Diese sowie auch andere zu Bedenken Anlaß gebende Bereiche wirken als treibende Kraft zur Entwicklung neuer Verfahren und Prinzipien zur Rückgewinnung von Chemikalien und Energie aus Schwarzlauge. Einen der hoffnungsvolleren Wege stellt die Vergasung der Lauge in Wanderbetten oder Wirbelschichten dar. In manchen Fällen können diese Alternativprozesse als die Kapazität stufenweise steigernde Mittel eingesetzt werden, womit sich die Gelegenheit ergibt, den durch den Rückgewinnungskessel bedingten Engpaß zu beseitigen.These and other areas of concern are driving the development of new processes and principles for recovering chemicals and energy from black liquor. One of the more promising avenues is gasification of the liquor in moving or fluidized beds. In some cases, these alternative processes can be used as capacity incremental means, providing an opportunity to remove the bottleneck posed by the recovery boiler.
Zu den wichtigsten treibenden Kräften zur Entwicklung neuer Rückgewinnungstechnologie zählt die Verbesserung des Wärmewirkungsgrades zusammen mit höheren Verhältnissen Ausgangsleistung:Dampfleistung. Die vorliegende Erfindung betrifft eine wesentliche Verbesserung auf diesem Gebiet unter Verwendung von sich auf Vergasung und Energiegewinnung in einem Rückgewinnungsgasturbinen kreislauf gründender Technologie.One of the main driving forces for the development of new recovery technology is the improvement of thermal efficiency together with higher output:steam output ratios. The present invention relates to a significant improvement in this area using technology based on gasification and power generation in a recovery gas turbine cycle.
Die Vergasung von Schwarzlauge kann bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken erfolgen, was zu unterschiedlichen Formen der zurückgewonnenen anorganischen Bestandteile und unterschiedlichen Heizwerten des brennbaren Prozeßgases führt.The gasification of black liquor can take place at different temperatures and pressures, which leads to different forms of the recovered inorganic components and different calorific values of the combustible process gas.
Die anorganischen Verbindungen, hauptsächlich Natriumverbindungen, werden unter Bildung einer wäßrigen alkalischen, als Grünlauge bezeichneten Flüssigkeit aufgeschlossen, die zur Herstellung von Kochlauge eingesetzt wird.The inorganic compounds, mainly sodium compounds, are digested to form an aqueous alkaline liquid called green liquor, which is used to produce cooking liquor.
Kraftzellstoffabriken erzeugen bedeutende Mengen an Biomassenenergie, und heutzutage sind die meisten Fabriken dazu eingerichtet, den in der Kraft-Fabrik verfügbaren Biomassenbrennstoff zur Deckung des Bedarfs an Dampf und Elektrizität vor Ort durch mit Gegendruckdampfturbinen ausgerüstete kombinierte Kraft- und Heizanlage einzusetzen. Der Bedarf an Elektrizität übersteigt oft die intern erzeugte Leistung, insbesondere bei integrierten Fabriken, und Elektrizität wird oft aus dem Splitt importiert.Kraft pulp mills generate significant amounts of biomass energy and today most mills are set up to use the biomass fuel available in the kraft mill to meet on-site steam and electricity needs by using back-pressure steam turbines. equipped combined heat and power plant. The demand for electricity often exceeds the internally generated power, especially in integrated factories, and electricity is often imported from the grid.
Der Bedarf an Betriebsdampf bei einer modernen Kraftzellstoffabrik liegt in der Größenordnung von 10 GJ pro Tonne luftgetrocknetem Zellstoff. Der interne Elektrizitätsbedarfliegt um 600 kWh/t luftgetrocknetem Zellstoff.The operating steam requirement of a modern kraft pulp mill is in the order of 10 GJ per ton of air-dried pulp. The internal electricity requirement is around 600 kWh/t of air-dried pulp.
Die mit Biomassevergasungs-Gasturbinen ausgerüstete erfindungsgemäße kombinierte Kraft- und Heizanlage deckt den Dampfbedarf der Fabrik und kann gegebenenfalls exportierbare überschüssige Elektrizität erzeugen.The combined power and heating plant according to the invention, equipped with biomass gasification gas turbines, covers the steam requirements of the factory and can, if necessary, generate surplus electricity that can be exported.
Ausgeübt werden kann die vorliegende Erfindung unter Verwendung verschiedenartiger Gasgeneratoren und Vergasungsprinzipien, beispielhaft in Dokumenten des Standes der Technik dargestellt.The present invention can be practiced using various gas generators and gasification principles, exemplified in prior art documents.
In US-A-4.917.763 und US-A-4.692.209 wird die Vergasung von Zellstoffablauge wie etwa Schwarzlauge beschrieben. Die Vergasungstemperatur liegt im Bereich von 1000-1300ºC, was zur Entwicklung geschmolzener anorganischer Verbindungen und eines Brenngases führt. Abgezogen werden die geschmolzenen alkalischen Chemikalien aus dem Gasstrom in einer Kühl- und Schnellabkühlstufe, wo eine wäßrige Lösung im Gasdampf versprüht wird. Die als Produkt anfallende alkalische Lsung wird auf unter 200ºC abgekühlt.US-A-4,917,763 and US-A-4,692,209 describe the gasification of pulp waste liquor such as black liquor. The gasification temperature is in the range of 1000-1300ºC, which leads to the development of molten inorganic compounds and a fuel gas. The molten alkaline chemicals are removed from the gas stream in a cooling and rapid cooling stage where an aqueous solution is sprayed in the gas vapor. The alkaline solution obtained as a product is cooled to below 200ºC.
Das Brenngas dient zur Erzeugung von Dampf oder als Synthesegas.The fuel gas is used to generate steam or as synthesis gas.
Eine weitere Vergasungstechnik wird in US-A-4.808.264 beschrieben, wo die Rückgewinnung und Energie aus Schwarzlauge in drei klar unterschiedenen und getrennten Schritten erfolgt, während im ersten Schritt die Vergasung von konzentrierter Schwarzlauge durch Flashpyrolyse bei 700 bis 1300ºC in einem Druckvergasungsreaktor erfolgt, der die anorganischen Chemikalien der Schwarzlauge als geschmolzene, suspendierte Tröpfchen enthält.Another gasification technique is described in US-A-4,808,264, where the recovery and energy from black liquor is carried out in three clearly differentiated and separate steps, while in the first step the gasification of concentrated black liquor is carried out by flash pyrolysis at 700 to 1300ºC in a pressure gasification reactor which recovers the inorganic chemicals of the black liquor as molten, contains suspended droplets.
Die Gewinnung von Energie aus dem dabei gebildeten Prozeßgas zur Erzeugung von Dampf und/oder elektrischer Energie erfolgt in einem Gasturbinen/Dampfturbinen- Zyklus. Die Dampfturbine ist eine solche des Gegendrucktyps, der vorzugsweise dem Bedarf an Betriebsdampf für die Fabrik entsprechend gewählt wird.The extraction of energy from the resulting process gas to produce steam and/or electrical energy takes place in a gas turbine/steam turbine cycle. The steam turbine is a backpressure type, which is preferably selected according to the operating steam requirement for the factory.
In WO-A-91/15665 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Elektrizität und Dampf aus einem Schwarzlaugendruckvergasungsprozeß beschrieben. Die Rückgewinnung von Energie erfolgt in einer Gasturbinen- /Gegendruckdampfturbinenanlage. In der Fabrik erzeugter überschüssiger Dampf wird in die Gasturbine oder deren Kombustor zurückgeführt, um mehr Elektrizität zu erzeugen. Diese Technik ist in der Industrie als Dampfinjektionsgasturbine, nachstehend als DIGT bezeichnet, bekannt.WO-A-91/15665 describes a method and apparatus for generating electricity and steam from a black liquor pressure gasification process. The energy recovery takes place in a gas turbine/back pressure steam turbine plant. Excess steam generated in the plant is fed back into the gas turbine or its combustor to generate more electricity. This technique is known in the industry as a steam injection gas turbine, hereinafter referred to as DIGT.
Gemein haben US-A-4.808.264 und WO-A-91/15665, daß beiden die Energiegewinnung unter Verwendung eines kombinierten Zyklus einschließlich einer Gegendruckdampfturbine zugrundeliegt.What US-A-4,808,264 and WO-A-91/15665 have in common is that both are based on energy generation using a combined cycle including a back-pressure steam turbine.
Diese Anlagen weisen einen ziemlich hohen Wärmewirkungsgrad auf, sind jedoch mit den hohen Kapitalkosten der Dampfturbine und des Abwärmedampfgenerators behaftet. Die elektrische Leistung einer Kondensationsdampfturbine in einem kombinierten Zyklus beträgt oft weniger als ein Drittel der gesamten Ausgangsleistung und noch beträchtlich weniger bei Gegendruckturbinen.These plants have a fairly high thermal efficiency, but suffer from the high capital costs of the steam turbine and the waste heat steam generator. The electrical output of a condensing steam turbine in a combined cycle is often less than one-third of the total output and considerably less for back pressure turbines.
Ein nachgeschalteter Dampfzyklus wie bei diesen Erfindungen weist eine von Natur aus hohe thermodynamische Irreversibilität auf, da die Verdunstung von Wasser bei konstanter Temperatur erfolgt, während die Freisetzung von Wärme bei unterschiedlichen Temperaturen geschieht, was zu niedrigeren Wärmewirkungsgraden führt.A downstream steam cycle such as in these inventions has an inherently high thermodynamic irreversibility since the evaporation of water occurs at a constant temperature while the release of heat occurs at different temperatures, resulting in lower thermal efficiencies.
Anlagen zur Vergasung von Schwarzlauge und gleichzeitiger Wärmerückgewinnung sind auch in US-A-4.682.985 sowie US-A-4.753.068 beschrieben. Auch diesen Anlagen liegt die Vergasung der Schwarzlauge und die Verbrennung der Brenngase zugrunde, wodurch Wärmeenergie entwickelt wird, die zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt werden kann und als fühlbare Wärme zu Heizzwecken in verschiedenen Teilen der Anlage zum Einsatz kommen kann.Plants for the gasification of black liquor and simultaneous heat recovery are also described in US-A-4,682,985 and US-A-4,753,068. These plants are also based on the gasification of the black liquor and the combustion of the fuel gases, whereby thermal energy which can be used to generate electrical energy and as sensible heat for heating purposes in various parts of the plant.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur rationelleren und weniger kapitalintensiven Erzeugung von elektrischer Energie und Betriebsdampf aus der Vergasung von Schwarzlauge zur Verfügung zu stellen, bei dem ein Rückgewinnungsgasturbinenzyklus eingesetzt wird, der einem Gasschnellkühler- und Wärmeaustauschsystem nachgeschaltet ist, wo das heiße Prozeßgas aus der Vergaserreaktionszone auf eine Temperatur unter 150ºC abgekühlt wird, wobei gleichzeitig fühlbare und latente, zur Erzeugung von Dampf für den fabrikinternen Gebrauch übertragene Wärme zurückgewonnen wird.The object of the present invention is to provide a process for the more efficient and less capital intensive production of electrical power and process steam from the gasification of black liquor, which employs a recovery gas turbine cycle downstream of a gas blast chiller and heat exchange system where the hot process gas from the gasifier reaction zone is cooled to a temperature below 150ºC, while simultaneously recovering sensible and latent heat transferred to produce steam for internal plant use.
Eine erhebliche Menge an fühlbarer Wärme läßt sich auch aus heißen Flüssigkeiten wie Schnellabkühlflüssigkeiten, Kondensaten und Kühlmitteln gewinnen, die aus oder innerhalb der Schnellabkühlzone und/oder den Wärmeaustauschzonen abgezogen werden.A significant amount of sensible heat can also be recovered from hot fluids such as quench fluids, condensates and coolants withdrawn from or within the quench zone and/or heat exchange zones.
Die Zurückgewinnung von latenter und fühlbarer Wärme kann in verschiedenartigen Vorrichtungen einschließlich Wärmeaustauschdampfgeneratoren, Kesselspeisewassererhitzern und Wärmepumpen erfolgen.Recovery of latent and sensible heat can be carried out in a variety of devices, including heat exchange steam generators, boiler feedwater heaters and heat pumps.
In einem bestimmten Ausführungsbeispiel wird latente und/oder fühlbare Wärme in den Gas- und/oder Flüssigkeitsströmen unter Verwendung einer umgekehrten Absorptionswärmepumpe zurückgewonnen, in der ein wärmeabsorbierendes Mittel wie zum Beispiel Natronlauge zur Wärmeübertragung dient.In a particular embodiment, latent and/or sensible heat in the gas and/or liquid streams is recovered using a reverse absorption heat pump in which a heat absorbing agent such as caustic soda serves to transfer heat.
Das gekühlte brennbare Prozeßgas wird einer Gasturbinenanlage zugeführt, in welcher der als Wärmeverdünnungsmittel und Arbeitsmittel dienende Luftüberschuß teilweise oder ganz durch Wasserdampf ersetzt wird.The cooled combustible process gas is fed to a gas turbine plant in which the excess air serving as a heat diluent and working medium is partially or completely replaced by water vapor.
Gasturbinen sind gegenüber Verunreinigungen im eintretenden Gasstrom äußerst empfindlich, insbesondere gegenuber Schwefeloxiden und Alkalisalzen. Damit schädliche Auswirkungen auf Turbomaschinen vermieden werden, müssen die Gase im wesentlichen frei von diesen und anderen Verunreinigungen sein, insbesondere wenn das Gas als Brennstoff in einem Innenfeuerungs-Gasturbinenzyklus eingesetzt wird. Es ist daher wichtig, daß bei der vorliegenden Erfindung eine wirksame Gasreinigung erfolgt, insbesondere hinsichtlich Natrium, da Natrium eine dominierende anorganische Verbindung in Zellstoffablaugen ist.Gas turbines are extremely sensitive to impurities in the incoming gas stream, especially sulphur oxides and alkali salts. To avoid harmful effects on turbomachinery, the gases must be substantially free of these and other contaminants, particularly when the gas is used as fuel in an internal combustion gas turbine cycle. It is therefore important that the present invention provide effective gas purification, particularly for sodium, since sodium is a dominant inorganic compound in pulp waste liquors.
Zu bemerken ist dazu, daß im wesentlichen alle verdampften Natriumverbindungen und Natriumteilchen im Schnellabkühlgaskühler und in der Waschanlage gemäß der vorliegenden Erfindung entfernt werden. Der Sättigungsdampfdruck der betreffenden schädlichen Komponenten ist bei Temperaturen unter 200ºC sehr niedrig.It should be noted that essentially all vaporized sodium compounds and sodium particles are removed in the rapid cooling gas cooler and in the scrubber according to the present invention. The saturation vapor pressure of the harmful components in question is very low at temperatures below 200°C.
Gegebenenfalls kann das Prozeßgas gefiltert oder können Natriumverbindungen an einem geeigneten nichtflüchtigen anorganischen Sorbens wie etwa einem Aluminosilikat sorbiert werden, bevor das Gas in den Gasturbinenkombustor eintritt. Zeolite können als Filter oder als Sorptionsoberfläche zur Abtrennung von Alkali eingesetzt werden.If necessary, the process gas can be filtered or sodium compounds can be sorbed on a suitable non-volatile inorganic sorbent such as an aluminosilicate before the gas enters the gas turbine combustor. Zeolites can be used as a filter or as a sorption surface to separate alkali.
Eine Möglichkeit, diesem Problem ganz auszuweichen, besteht darin, das Prozeßgas als Brennstoff in einem Außenfeuerungs-Gasturbinenzyklus einzusetzen, was eine weitere mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wie noch nachstehend beschrieben wird.One way to avoid this problem altogether is to use the process gas as fuel in an external combustion gas turbine cycle, which is another possible embodiment of the present invention, as will be described below.
Wenngleich Gasturbinenzyklen inhärente thermodynamische Vorteile aufweisen, sind Gasturbinenanlagen mit einfachem Zyklus auch mit einigen wohlbekannten Nachteilen behaftet, wie etwa die große parasitäre Kühlluftbelastung des Systems zur Senkung der Turbineneintrittstemperatur.Although gas turbine cycles have inherent thermodynamic advantages, simple cycle gas turbine systems also suffer from some well-known disadvantages, such as the large parasitic cooling air load on the system to reduce the turbine inlet temperature.
Überdies enthält das Abgas aus der Gasturbine eine große Menge an fühlbarer Wärme, und beim Ausstoß in die Atmosphäre werden große Mengen an potentieller Nutzenergie verschwendet. Diese Abwärme kann jedoch auf verschiedene Weise genutzt werden, zum Beispiel zur Erzeugung von Dampf in einem Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (WRDG), der unmittelbar oder in einer kombinierten Kraft- und Heizdarstellung für Prozeßbedürfnisse eingesetzt werden kann, oder um eine höhere Leistung in einer Kondensationsdampfturbine zu erzeugen. Angesichts der stark größenabhängigen Wirtschaftlichkeit von Dampfturbinenzyklen und anderen hier beschriebenen Faktoren stellen kombinierte Gasturbinen/Dampfturbinenzyklen, die auf technischen Hochleistungsturbinen fußen, nicht die erste Wahl für Anwendungen in den verhältnismäßig bescheidenen Maßstäben bei der Schwarzlaugenvergasung dar.In addition, the exhaust gas from the gas turbine contains a large amount of sensible heat and large amounts of useful potential energy are wasted when it is discharged into the atmosphere. However, this waste heat can be used in a number of ways, for example to generate steam in a heat recovery steam generator (WRDG) that can be used directly or in a combined power and heat configuration for process needs, or to generate higher power in a condensing steam turbine. Given the highly size-dependent economics of steam turbine cycles and other factors described here, combined gas turbine/steam turbine cycles based on high-performance engineering turbines are not the first choice for applications on the relatively modest scale of black liquor gasification.
Eine weitere Technik, den Wärmeinhalt von Turbinenabgas zu nutzen, besteht darin, Heißdampf auf zumachen, der im Kreislauf geführt und in den Kombustor der Verbrennungsturbine eingeblasen wird, siehe z. B. US-A-3.978.661. Die Dampfinjektion bei mit Biomassenvergasungs-Gasturbinen ausgerüsteten kombinierten Kraft- und Heizanlagen zur Verwendung in der Forstproduktindustrie wird beispielsweise in PU/CEES Working Paper Nr. 113 von Dr. Eric Larson, Princeton, Februar 1990 beschrieben.Another technique for using the heat content of turbine exhaust gas is to create hot steam, which is circulated and injected into the combustor of the combustion turbine, see e.g. US-A-3,978,661. Steam injection in combined heat and power plants equipped with biomass gasification gas turbines for use in the forest products industry is described, for example, in PU/CEES Working Paper No. 113 by Dr. Eric Larson, Princeton, February 1990.
Noch eine weitere Technik zur Nutzung des Turbinenabgases besteht darin, die aus dem Kompressor austretende Luft gegen das Motorabgas in einem Rekuperativwärmetauscher vorzuwärmen und gleichzeitig während der Kompression der Luft mit Zwischenkühlung zu arbeiten. Durch das Einspritzen von Wasser in einem Rekuperativzyklus kann der Wirkungsgrad weiter verbessert werden.Yet another technique for utilizing turbine exhaust is to preheat the air exiting the compressor against the engine exhaust in a recuperative heat exchanger and at the same time use intercooling during compression of the air. By injecting water in a recuperative cycle, efficiency can be further improved.
Das Prinzip der Wassereinspritz-Rekuperativgasturbinenzyklen ist schon früher beschrieben worden, beispielsweise in US-A-2.869.324 sowie US-A-4.537.023, und in der Literatur; Gasparovic N., "Gasturbines with heat exchanger and water injection in the compressed air" [Gasturbinen mit Wärmetauscher und Wassereinspritzung in der Druckluft], Proc. Instn. Mech. Engrs., Band 185, 1971.The principle of water injection recuperative gas turbine cycles has been described previously, for example in US-A-2,869,324 and US-A-4,537,023, and in the literature; Gasparovic N., "Gasturbines with heat exchanger and water injection in the compressed air" Proc. Instn. Mech. Engrs., Volume 185, 1971.
Ein großer Nachteil von Direktfeuerungs-Gasturbinenzyklen wie den beispielhaft in den vorstehenden Dokumenten des Standes der Technik beschriebenen ist die hohe Empfindlichkeit gegenüber der Treibgasqualität.A major disadvantage of direct-firing gas turbine cycles such as those exemplified in the above prior art documents is the high sensitivity to fuel gas quality.
Indirektfeuerungs- oder Außenfeuerungs -Gasturbinenzyklen sind erheblich weniger empfindlich und können mit Treibstoffen etwa derselben Qualität wie Dampfgeneratoren arbeiten.Indirect-fired or external-fired gas turbine cycles are considerably less sensitive and can operate with fuels of approximately the same quality as steam generators.
Indirekte Zyklen, wie sie derzeit für Kohlevergasungsanwendungen entwickelt werden, sind mit verschiedenartigsten herkömmlichen Vorrichtungen vereinbar. Technisch hochentwickelte Kombustoren und Hochtemperaturwärmetauscher sind im Handel erhältlich oder stehen in der Entwicklung.Indirect cycles, as currently developed for coal gasification applications, are compatible with a wide variety of conventional devices. Technically advanced combustors and high-temperature heat exchangers are commercially available or under development.
Die Rückführung von Gichtgas, um die gesamte Zyklusluft zur Verbrennung einzusetzen, kann bei indirekten Zyklen Vorteile bieten, da so NOx-Emissionen möglichst klein gehalten und Kapitalkosten gesenkt werden.Recirculation of blast furnace gas to use all cycle air for combustion can offer advantages in indirect cycles by minimizing NOx emissions and reducing capital costs.
Wie nachstehend noch zu erläutern sein wird, stellt die Verwendung eines Indirektfeuerungs-Gasturbinenzyklus zusammen mit Befeuchtung von Druckluft durch Einspritzen von Wasser eine günstige Alternativausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.As will be explained below, the use of an indirect firing gas turbine cycle together with humidification of compressed air by water injection represents a favorable alternative embodiment of the present invention.
Die Ausübung der vorliegenden Erfindung sei anhand beigefügter Beschreibung, Beispiele und Abbildungen mit Bezug auf die Rückgewinnung aus Schwarzlauge beschrieben. Man sollte sich aber darüber im klaren sein, daß die Erfindung auch der Rückgewinnung anderer Zellstoffablaugen dienen kann, wie etwa Sulfit- oder Sodakochablaugen.The practice of the present invention will be described with reference to the attached description, examples and figures with reference to the recovery of black liquor. It should be understood, however, that the invention can also be used to recover other pulp waste liquors, such as sulphite or soda cooking waste liquors.
Gelöst worden sind die vorstehend erwähnten Probleme durch die vorliegende Erfindung wie in Anspruch 1 beschrieben, die ein Verfahren mit einem Rindenkocher zur Rückgewinnung von Energie betrifft, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte der:The above-mentioned problems have been solved by the present invention as described in claim 1, which relates to a method with a bark digester for recovering energy, the method being characterized by the steps of:
(1) Kühlung des aus der Schnellabkühlzone oder Kontaktierzone austretenden Brenngasstroms, indem der Gasstrom mindestens einer Wärmeaustauschzone zugeführt wird, wo das Gas durch Wärmeaustausch mit mindestens einem Kühlmittel auf eine Temperatur im Bereich von 30- 180ºC gekühlt wird;(1) cooling the fuel gas stream emerging from the rapid cooling zone or contacting zone by feeding the gas stream to at least one heat exchange zone where the gas is cooled to a temperature in the range of 30-180ºC by heat exchange with at least one coolant;
(2) Komprimierung von Luft auf einen vorgegebenen Druck;(2) compression of air to a given pressure;
(3) Abzapfung von Druckluft aus dem Druckluftstrom zum Einsatz als Oxidationsmittel im Gasgenerator;(3) Extraction of compressed air from the compressed air stream for use as an oxidizer in the gas generator;
(4) Entziehung von Wärme aus dem Abgas der Gasturbine durch indirekte Wärmeübertragung auf das Brenngas.(4) Removal of heat from the exhaust gas of the gas turbine by indirect heat transfer to the fuel gas.
Weitere Einzelheiten des Verfahrens werden in den Unteransprüchen von Anspruch 1 angeführt.Further details of the method are given in the subclaims of claim 1.
Die Erfindung sei anhand der beigefügten Abbildungen erläutert, wobei:The invention is explained with reference to the attached figures, in which:
Fig. 1 eine Vorzugsausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung offenbart, undFig. 1 discloses a preferred embodiment of an arrangement according to the invention, and
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anordnung zur gleichzeitigen Erzeugung von 12 Dampf offenbart.Fig. 2 discloses an arrangement according to the invention for the simultaneous production of 12 steam.
Bei dem vorliegenden Verfahren wird eine kohlenwasserstoffartiges Material und anorganische Natriumverbindungen enthaltende Zellstoffablauge mit einem sauerstoffhaltigen Gas in einem Freistromgasgenerator A umgesetzt und so ein Brenngas erzeugt. Der Gasgenerator arbeitet bei einer Reaktionszonentemperatur zwischen 700-1500ºC und bei einem Druck von 1-100 Bar.In the present process, a pulp waste liquor containing hydrocarbon-like material and inorganic sodium compounds is reacted with an oxygen-containing gas in a free-flow gas generator A to produce a fuel gas. The gas generator operates at a reaction zone temperature between 700-1500ºC and at a pressure of 1-100 bar.
Der heiße, aus dem Gasgenerator ausströmende Gasstrom wird durch direkten Kontakt mit einer wäßrigen Flüssigkeit in einem Schnellkühler 1 rasch abgekühlt, siehe Figur 1. Die Kühlung ergibt sich größtenteils aus der vollständigen oder teilweisen Verdunstung der wäßrigen Schnellabkühlflüssigkeit. Die Temperatur des ausströmenden Gases 2 und der Schnellabkühlflüssigkeit 3 wird durch den gewählten Arbeitsdruck des Gasgenerators bestimmt und entspricht der Temperatur von gesättigtem Wasserdampf bei diesem Druck.The hot gas stream flowing out of the gas generator is rapidly cooled by direct contact with an aqueous liquid in a rapid cooler 1, see Figure 1. The cooling results largely from the complete or partial evaporation of the aqueous rapid cooling liquid. The temperature of the outflowing gas 2 and the rapid cooling liquid 3 is determined by the selected working pressure of the gas generator and corresponds to the temperature of saturated water vapor at this pressure.
Ein Großteil der fühlbaren Wärme in dem heißen ausströmenden Gas wird daher absorbiert und auf Wasserdampf übertragen. Das gesättigte Gas verläßt die Schnellabkühlanlage mit einer Temperatur im Bereich von 60-220ºC und einem Druck im Bereich von 1 bis 100 Bar, vorzugsweise mit dem gleichen Druck wie im Gasgenerator minus den Druckabfall bei der Schnellabkühlung.Much of the sensible heat in the hot outgoing gas is therefore absorbed and transferred to water vapor. The saturated gas leaves the cooling system at a temperature in the range 60-220ºC and a pressure in the range 1 to 100 bar, preferably at the same pressure as in the gas generator minus the pressure drop during the cooldown.
Das Brenngas wird dann in einem oder mehreren Wärmetauschern 4 weitergekühlt, unter gleichzeitiger Erzeugung von Betriebsdampf 5 und/oder Heißwasser.The fuel gas is then further cooled in one or more heat exchangers 4, while simultaneously producing operating steam 5 and/or hot water.
Der Dampfbedarf der Fabrik wird so großteils wenn nicht sogar vollständig durch die Wärmeaustauschdampfgeneratoren der Kühlanlage gedeckt. Eine nachgeschaltete Gasturbinenanlage E kann daher für die Energieerzeugung optimiert werden.The factory's steam requirements are largely, if not completely, covered by the cooling system's heat exchange steam generators. A downstream gas turbine system E can therefore be optimized for energy generation.
Das bei der Kühlung entstehende, möglicherweise Natriumverbindungen enthaltende Kondensat 6 wird aus dem Prozeßgas abgezogen und mit anderen wäßrigen Flüssigkeiten vermischt, wodurch Grünlauge 7 zum Einsatz bei der Herstellung von Kochlauge gebildet wird.The condensate 6 formed during cooling, possibly containing sodium compounds, is withdrawn from the process gas and mixed with other aqueous liquids, thereby forming green liquor 7 for use in the production of cooking liquor.
Eine weitere Kühlung des aus den Wärmetauschern ausströmenden Prozeßgases erfolgt durch Waschen B mit einer wäßrigen Flüssigkeit 8, wodurch sich eine noch bessere Abtrennung mitgerissener Natriumdämpfe ergibt.Further cooling of the process gas flowing out of the heat exchangers is carried out by washing B with an aqueous liquid 8, which results in an even better separation of entrained sodium vapors.
Das so gebildete gereinigte Brenngas 9 weist eine Temperatur zwischen 20 und 150ºC und einen im wesent lichen dem Druck im Gasgenerator gleichen Druck auf. Das Gas ist gesättigt, und der Wasserdampfpartialdruck entspricht der Temperatur und dem Gesamtdruck.The purified fuel gas 9 thus formed has a temperature between 20 and 150ºC and a pressure essentially equal to the pressure in the gas generator. The gas is saturated and the water vapor partial pressure corresponds to the temperature and the total pressure.
Eine weitere Gasreinigung und Natriumabtrennung kann gegebenenfalls durch nachfolgendes Filtern oder nachfolgende Elektroabscheidung erfolgen.Further gas purification and sodium separation can, if necessary, be carried out by subsequent filtering or subsequent electro-deposition.
Der Heizwert des Prozeßgases hängt von der Art und Menge des im Gasgenerator eingesetzten Oxidationsmittels ab. Die Verwendung von Luft als Oxidationsmittel hat zur Folge, daß etwa die Hälfte des Produktgases aus Sauerstoff besteht, wodurch sich ein Gas mit einem ziemlich niedrigen Heizwert ergibt.The calorific value of the process gas depends on the type and amount of oxidant used in the gas generator. The use of air as an oxidant results in about half of the product gas being oxygen, resulting in a gas with a fairly low calorific value.
Nach Überlegungen hinsichtlich der Gesamtenergiebilanz und der Kapitalkosten bringt die Verwendung von technischem Stickstoff als Oxidationsmittel zur Vergasung von Schwarzlauge gemäß der vorliegenden Verbindung wenig oder nichts, trotz der höheren Qualität des Produktgases.Based on overall energy balance and capital cost considerations, the use of technical nitrogen as an oxidant for black liquor gasification according to the present invention brings little or no benefit, despite the higher quality of the product gas.
Das gereinigte Produktgas aus der Schwarzlaugenvergasung mit Lufteinblasung weist einen Heizwert im Bereich von 3,5-5 MJ/Nm³ auf.The purified product gas from the black liquor gasification with air injection has a calorific value in the range of 3.5-5 MJ/Nm³.
Nach letztmaligem Kühlen und Waschen wird die Temperatur des Prozeßgases durch Wärmeaustausch mit heißer umlauf ender Grünlauge und/oder umlauf endem Kompressorzwischenkühl-Kühlmittel 10 und/oder Gasturbinenabgas 11 erhöht.After final cooling and washing, the temperature of the process gas is increased by heat exchange with hot circulating green liquor and/or circulating compressor intercooler coolant 10 and/or gas turbine exhaust gas 11.
Das vorerwärmte gereinigte Brenngas wird danach als Treibstoff in einer Gasturbinenanlage mit einem Kompressor C, einem Kombustor D und einer Gasturbine E eingesetzt.The preheated, purified fuel gas is then used as fuel in a gas turbine plant with a compressor C, a combustor D and a gas turbine E.
Um das erfindungsgemäße Ziel bezüglich der Energieerzeugung zu erreichen, wird der Massenstrom durch die Turbine erhöht, indem Wasser oder Dampf in die in den Kombustor eintretenden gasförmigen Ströme oder vor der Entspannung in der Gasturbine eingespritzt wird und indem die gasförmigen Ströme durch Wärmeaustausch mit Gasturbinenabgas vorgewärmt werden.In order to achieve the inventive goal with regard to energy production, the mass flow through the turbine is increased by injecting water or steam into the gaseous streams entering the combustor or prior to expansion in the gas turbine and by preheating the gaseous streams by heat exchange with gas turbine exhaust gas.
Ein kennzeichnendes Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in der Verwendung von Rekuperatoren F, durch die ein Großteil der Turbinen- oder Kombustorabgasenergie zum Vorwärmen von Kompressorabluft und/oder Treibgas vor dem Kombustor wiederverwertet wird.A characteristic feature of the present invention is the use of recuperators F, through which a large part of the turbine or combustor exhaust gas energy is recycled for preheating compressor exhaust air and/or propellant gas upstream of the combustor.
Außerdem ergibt sich durch Kompressorzwischenkühlung eine wesentlich verbesserte Leistung bei Rekuperativzyklen, da sich die Kompressorarbeit verringert und durch Zwischenkühlung verlorene Wärmeenergie durch Gewinnung von zusätzlicher Wärme aus den Abgasen im Rekuperator ausgeglichen wird.In addition, compressor intercooling results in significantly improved performance during recuperative cycles, as compressor work is reduced and heat energy lost through intercooling is compensated by recovering additional heat from the exhaust gases in the recuperator.
In einer Vorzugsausführungsform wird der Druckluftstrom nach dem Komprimieren durch Zugabe von Wasser 12 zu dem Luftstrom in einem Anfeuchtungsturm G gekühlt in dem das eingespritzte Wasser vollständig oder teilweise verdunstet. Der Taupunkt bestimmt dabei die maximale Wasserzugabe. In einem nachfolgenden Rekuperator wird die feuchte Druckluft durch Wärmeaustausch mit Gasturbinenabgas erwärmt.In a preferred embodiment, the compressed air flow is cooled after compression by adding water 12 to the air flow in a humidification tower G in which the injected water evaporates completely or partially. The dew point determines the maximum amount of water added. In a subsequent recuperator, the moist compressed air is heated by heat exchange with gas turbine exhaust gas.
Die maximale Wärme wird dann aus dem Abgas zurückgewonnen, wenn die Temperatur der Luft am Einlaß des Rekuperators gleich der Temperatur des Taupunkts ist. Die Regenerierung durch Verdunstung erfolgt in einem oder mehreren Schritten mittels Anfeuchtungstürmen vor den Rekuperatoren. Eine andere Ausführungsform besteht darin, einen Verdunstungsnachkühler nach dem Kompressorauslaß anzuordnen, gefolgt von einem Wassereinspritz-Verdunstungsrekuperator.The maximum heat is recovered from the exhaust gas when the temperature of the air at the inlet of the recuperator is equal to the dew point temperature. Regeneration by evaporation takes place in one or several steps using humidification towers before the recuperators. Another embodiment consists in arranging an evaporative aftercooler after the compressor outlet, followed by a water injection evaporative recuperator.
Durch derartiges Einspritzen von Wasser in den Druckluftstrom erreicht man zumindest zwei Ziele. Durch den sich so ergebenden höheren Massenstrom durch die Gasturbine wird die Ausgangsleistung erhöht und die parasitäre Luftkompressionsbelastung verringert.By injecting water into the compressed air stream in this way, at least two objectives are achieved. The resulting higher mass flow through the gas turbine increases the output power and reduces the parasitic air compression load.
Ferner ergeben, indem Wasser in die Druckluft eingespritzt wird, die niedrigere Temperatur und höhere Wärmekapazität des Fluids günstigere Wärmeaustauschbedingungen hinsichtlich des Thrbinen- oder Kombustorabgases.Furthermore, by injecting water into the compressed air, the lower temperature and higher heat capacity of the fluid result in more favorable heat exchange conditions with respect to the turbine or combustor exhaust gas.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß Druckluft als Oxidationsmittel zum Betrieb des Gasgenerators zur Verfügung gestellt wird. Der geringere Bedarf an Kühlluft als Verdünnungsmittel in der erfindungsgemäßen Gasturbine ermöglicht es, die gesamte zur Vergasung benötigte Luft zur Verfügung zu stellen.A further object of the invention is achieved by providing compressed air as an oxidizing agent for operating the gas generator. The lower requirement for cooling air as a diluent in the gas turbine according to the invention makes it possible to provide all of the air required for gasification.
Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß damit Niedertemperaturwärme aus den ausgestoßenen Rauchgasen 20, dem Kompressorzwischenkühler 13 oder aus dem Vergasungsprozeß genutzt werden kann oder Niedertemperaturwärme aus anderen Teilen der Fabrik genutzt werden kann, um zur Verdunstungskühlung der Druckluft und/oder des Treibgases eingesetztes Wasser vorzuwärmen und so den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern.Another particular advantage of the method according to the invention is that it allows low-temperature heat from the exhausted flue gases 20, the compressor intercooler 13 or from the gasification process to be used, or low-temperature heat from other parts of the factory to be used to preheat water used for evaporative cooling of the compressed air and/or the propellant gas, thus improving the overall efficiency.
Ein großer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in ihrer Einfachheit. Der gesamte nachgeschaltete Zyklus eines kombinierten Zyklus fällt weg, was zu niedrigeren Kapitalkosten bei gleicher Stromleistung führt. Rekuperatoren und Befeuchter bereitet weder in der Auslegung noch im Betrieb wesentliche Schwierigkeiten.A great advantage of the present invention is its simplicity. The entire downstream cycle of a combined cycle is eliminated, resulting in lower capital costs for the same power output. Recuperators and humidifiers do not present any significant difficulties in either design or operation.
Ein Nachteil bei Wasser- oder Dampfeinspritzzyklen ist, daß in den Befeuchter eingebrachtes Wasser verlorengeht, wenn kein Verfahren zur Rückgewinnung des Dampfes aus dem Abgas zum Einsatz kommt. Bei Gasturbinenanlagen mit Verdunstungswiedergewinnung liegt der Wasserverbrauch zur Befeuchtung in der Größenordnung von 0,1-0,8 kg Wasser je kwh an Energie und beträgt bei DIGT-Anlagen mit gutem Leistungsgrad etwa das Doppelte. In beiden Fällen ist eine Aufbereitung des Wassers auf Kesselspeisewasserqualität erforderlich.A disadvantage of water or steam injection cycles is that water introduced into the humidifier is lost if no process is used to recover the steam from the exhaust gas. In gas turbine plants With evaporative recovery, the water consumption for humidification is in the order of 0.1-0.8 kg of water per kWh of energy and is about twice as much for DIGT systems with a good efficiency level. In both cases, the water must be treated to boiler feed water quality.
Der erfindungsgemäße Gasturbinenzyklus läßt sich mit einer Anlage zur Erzeugung von zum Einspritzen vorgesehenem enthärtetem Wasser integrieren. Aufbauen könnte eine derartige Enthärtungsanlage auf verschiedene aus der Meerwasserentsalzungsindustrie bekannte Grundsätze.The gas turbine cycle according to the invention can be integrated with a system for producing softened water for injection. Such a softening system could be based on various principles known from the seawater desalination industry.
Auf Destillationsverfahren beruhende Enthärtungsanlagen wird zum erfindungsgemäßen Einsatz der größte Vorzug gegeben, da mit ihnen eine unmittelbare Nutzung von Wärme aus dem Abgasstrom oder aber die Nutzung von überschüssigem Dampf oder Niedertemperaturwärme aus anderen Teilen der Fabrik möglich ist.Softening systems based on distillation processes are given the greatest preference for use according to the invention, since they enable direct use of heat from the exhaust gas stream or the use of excess steam or low-temperature heat from other parts of the factory.
In einer weiteren Vorzugsausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zur Rückgewinnung von fühlbarer und latenter Wärme aus dem Brenngasstrom und/oder aus der Schnellabkühlzone und/oder Wärmeaustauschzone abgezogenen alkalischen Laugen Wärmepumpen eingesetzt. Besonders günstig ist der Einsatz von Wärmepumpen, wenn der Vergasungsdruck unter etwa 10-15 Bar liegt, da trotz der niedrigeren Sättigungstemperatur in den Gasströmen und niedrigerer Temperatur in den aus der Schnellabkühlzone abgezogenen Flüssigkeitsströmen die Erzeugung von Nutzdampf in einem Druckbereich von 2-10 Bar möglich ist.In a further preferred embodiment of the present invention, heat pumps are used to recover sensible and latent heat from the fuel gas flow and/or from the alkaline lye removed from the rapid cooling zone and/or heat exchange zone. The use of heat pumps is particularly advantageous when the gasification pressure is below about 10-15 bar, since despite the lower saturation temperature in the gas flows and lower temperature in the liquid flows removed from the rapid cooling zone, the generation of useful steam in a pressure range of 2-10 bar is possible.
Wird die vorliegende Erfindung bei niedrigeren Vergasungsdrücken, etwa unter 10-15 Bar, ausgeübt, so gewinnt der Einsatz eines nachgeschalteten Indirektfeuerungs -Gasturbinenzyklus an Attraktivität gegenuber Direktfeuerungsanlagen. Der Wirkungsgrad von Indirektfeuerungsanlagen sind weitgehend unabhängig vom Treibgasdruck.If the present invention is practiced at lower gasification pressures, such as below 10-15 bar, the use of a downstream indirect firing gas turbine cycle becomes more attractive compared to direct firing systems. The efficiency of indirect firing systems is largely independent of the propellant gas pressure.
Bei dem Indirektfeuerungszyklus wird das Treibgas in einem Kombustor in Gegenwart von Gasturbinenabgas verfeuert, und Kombustorabwärme wird zum Vorwärmen von angefeuchteter Druckluft gewonnen, die als Treibfluid in der Gasturbine dient. Der Einsatz von Hochgußkeramik wie Schmelz-/Quarz-Massen als Wärmetauschoberfläche ermöglicht ein Vorwärmen von Luft im Bereich von etwa 1000ºC und mehr. Als ein offensichtlicher Vorteil des Indirektzyklus ergibt sich die geringere Empfindlichkeit gegenüber der Treibgasqualität.In the indirect combustion cycle, the propellant gas is heated in a combustor in the presence of gas turbine exhaust and combustor waste heat is recovered to preheat humidified compressed air, which serves as the propellant fluid in the gas turbine. The use of high-cast ceramics such as fused quartz masses as a heat exchange surface enables air to be preheated in the range of about 1000ºC and more. An obvious advantage of the indirect cycle is the lower sensitivity to the propellant gas quality.
Durch das Einspritzen von Wasser in die Druckluft oder das Treibgas, wie es in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erfolgt, wird die adiabatische Flammentemperatur im Kombustor gesenkt, dieser Effekt wirkt sich aber kaum aus, solange die Verbrennung stabil ist. Eine höhere Feststoffbeladung der eingespeisten Schwarzlauge wirkt diesem Effekt entgegen, weil dadurch der Treibgasheizwert und die adiabatische Flammentemperatur erhöht werden.By injecting water into the compressed air or the propellant gas, as is done in some embodiments of the present invention, the adiabatic flame temperature in the combustor is reduced, but this effect has little impact as long as the combustion is stable. A higher solids loading of the fed-in black liquor counteracts this effect because it increases the propellant gas calorific value and the adiabatic flame temperature.
Der mittlere Wasserdampfpartialdruck im Turbinenabgasstrom gemäß der vorliegenden Erfindung liegt um 5-25% des Gesamtdrucks.The average water vapor partial pressure in the turbine exhaust gas stream according to the present invention is around 5-25% of the total pressure.
Zu bemerken ist dazu auch, daß die vorliegende Erfindung umweltfreundlich ist, da sich durch das Einspritzen von Wasser oder Dampf in einer Gasturbinenanlage eine niedrigere Spitzenflammentemperatur im Kombustor bei vorgegebenen Turbineneinlaßtemperaturen ergibt. NOx-Emissionen sinken im allgemeinen exponentiell mit zunehmender Wärmekapazität der feuchten Verbrennungsluft und/oder des Treibgases. Auch übt Wasserdampf in kleineren Mengen katalytische Wirkung auf die Zersetzung von Kohlenwasser stoffen aus und führt zu einer Verringerung von Kohlenmonoxidemissionen auf ein Minimum.It should also be noted that the present invention is environmentally friendly since the injection of water or steam into a gas turbine plant results in a lower peak flame temperature in the combustor at given turbine inlet temperatures. NOx emissions generally decrease exponentially with increasing heat capacity of the moist combustion air and/or propellant gas. Water vapor in small amounts also has a catalytic effect on the decomposition of hydrocarbons and leads to a reduction of carbon monoxide emissions to a minimum.
Eine Kraft-Handelszellstoffabrik produziert 1070 Tonnen/Tag gebleichten Zellstoff und erzeugt dabei einen Schwarzlaugestrom von 1662 Tonnen/Tag als Trockensubstanz. Der interne Dampfbedarf der Fabrik beläuft sich auf 112 Tonnen an Wasserdampf mit 5 Bar und 36 Tonnen an Wasserdampf mit 13 Bar pro Stunde. Der Elektrizitätsverbrauch in der Fabrik beträgt 600 kwh/Tonne Zellstoff oder 642 MWh/Tag (26,75 MW). Schwarzlauge wird in einen schwebebettvergaser eingespeist, der mit einer Verdunstungsrückgewinnungsgasturbinenanlage zwecks Energierückgewinnung integriert ist.A commercial kraft pulp mill produces 1070 tonnes/day of bleached pulp and generates a black liquor stream of 1662 tonnes/day as dry matter. The mill's internal steam requirements are 112 tonnes of steam at 5 bar and 36 tonnes of steam at 13 bar per hour. Electricity consumption in the mill is 600 kWh/ton of pulp or 642 MWh/day (26.75 MW). Black liquor is fed into a fluidized bed gasifier which is integrated with an evaporative recovery gas turbine plant for energy recovery.
Die Schwarzlauge weist am Vergasereinlaß die folgenden Daten auf:The black liquor has the following data at the carburetor inlet:
Trockensubstanz 78%Dry matter 78%
Temperatur 170ºCTemperature 170ºC
Oberer Heizwert 14,8 MJ/kg TSUpper calorific value 14.8 MJ/kg TS
Durchsatz 19,24 kg TS/sThroughput 19.24 kg TS/s
Der Vergaser arbeitet mit einem Druck von 25 Bar und einer Reaktionszonentemperatur von 950ºC.The carburetor operates at a pressure of 25 bar and a reaction zone temperature of 950ºC.
Aus dem Gasturbinenkompressor (14) wird Luft abgezapft und als Oxidationsmittel im Gasgenerator eingesetzt. Die Temperatur und der Druck der Luft aus dem Gasturbinenkompressor werden durch einen Zusatzkompressor erhöht.Air is extracted from the gas turbine compressor (14) and used as an oxidizing agent in the gas generator. The temperature and pressure of the air from the gas turbine compressor are increased by an additional compressor.
Das Prozeßgas aus dem Vergaser wird durch Wärmeaustausch in zwei indirekten Wärmetauschern gekühlt, wobei 112 Tonnen Wasserdampf von 5 Bar pro Stunde und 7 Tonnen Wasserdampf von 2 Bar pro Stunde für den Export in die Fabrik erzeugt werden. Eine weitere Kühlung des Gases erfolgt durch Waschen in einem Gegenstromsprühwäscher.The process gas from the gasifier is cooled by heat exchange in two indirect heat exchangers, producing 112 tonnes of steam at 5 bar per hour and 7 tonnes of steam at 2 bar per hour for export to the factory. Further cooling of the gas is achieved by washing in a countercurrent spray washer.
Das gereinigte Prozeßgas aus dem Wäscher hat eine Temperatur von 40ºC und einen Druck von 23 Bar. Das Gas hat folgende Zusammensetzungen:The purified process gas from the scrubber has a temperature of 40ºC and a pressure of 23 bar. The gas has the following compositions:
CO 17,2%CO2 17.2%
H&sub2; 18,7%H2 18.7%
CO&sub2; 11,0%CO2 11.0%
H&sub2;O 0,3%H2O 0.3%
N&sub2; RestN2 Rest
Der Heizwert des Gases beträgt 4,2 MJ/Nm³ (UHW).The calorific value of the gas is 4.2 MJ/Nm³ (UHW).
Das Prozeßgas wird aus dem Vergaser/Wäscher abgeführt und als Brennstoff in einer Rekuperativgas turbinenanlage verwendet.The process gas is removed from the gasifier/scrubber and used as fuel in a recuperative gas turbine plant.
Nach dem Waschen wird die Prozeßgastemperatur durch Wärmeaustausch mit Heißwasser (10) aus dem Kompressorzwischenkühler (13) auf 130ºC erhöht, und das Gas in einem Rekuperativwärmetauscher durch Gasturbinenabgas weiter auf 450ºC vorgewärmt, bevor es in den Gasturbinenkombustor gelangt.After washing, the process gas temperature is increased to 130ºC by heat exchange with hot water (10) from the compressor intercooler (13), and the gas in It is further preheated to 450ºC by gas turbine exhaust gas in a recuperative heat exchanger before it enters the gas turbine combustor.
Kesselspeisewasser (10) wird im Kompressorzwischenkühler von 30ºC auf 145ºC vorgewärmt und zur Vorwärmung von Brenngas und teilweise als Einspritzwasser in dem Befeuchter und als Kesselspeisewasser genutzt. überschüssiges Wasser (15) wird als Rindenkocherspeisewasser eingesetzt. Ein Kesselspeisewasserstrom (18) aus dem Gasvorwärmer (16) wird durch indirekten Wärmeaustausch (21) mit Grünlauge aus dem Vergaser/Wäscherkreislauf von 125ºC auf 160ºC vorgewärmt.Boiler feed water (10) is preheated from 30ºC to 145ºC in the compressor intercooler and used to preheat fuel gas and partly as injection water in the humidifier and as boiler feed water. Excess water (15) is used as bark digester feed water. A boiler feed water stream (18) from the gas preheater (16) is preheated from 125ºC to 160ºC by indirect heat exchange (21) with green liquor from the gasifier/scrubber circuit.
Ein weiterer Kesselspeisewasserstrom wird zum Befeuchter in Leitung (12) gepumpt (19).Another boiler feed water stream is pumped to the humidifier in line (12) (19).
Die Zugabe von Frischwasser erfolgt in Leitung (17).Fresh water is added in line (17).
Schließlich wird der Gasturbinenabgasstrom aus der Gasturbinenanlage und den Rekuperatoren durch Leitung (20) ausgeblasen.Finally, the gas turbine exhaust gas stream is blown out of the gas turbine plant and the recuperators through line (20).
Nachstehend sind die wichtigsten Auslegungskriterien des Gasturbinenzyklus angeführt:The main design criteria of the gas turbine cycle are listed below:
Adiabatischer Wirkungsgrad des Kompressors = 0,89Adiabatic efficiency of the compressor = 0.89
Adiabatischer Wirkungsgrad der Turbine = 0,91Adiabatic efficiency of the turbine = 0.91
Wirkungsgrad des Generators = 0,99Generator efficiency = 0.99
Temperatur 15ºCTemperature 15ºC
Druck 1,033 atmPressure 1.033 atm
Relative Luftfeuchtigkeit 60%Relative humidity 60%
Gereinigtes Prozeßgas aus der Vergasung von Schwarzlauge.Purified process gas from the gasification of black liquor.
Temperatur 450ºCTemperature 450ºC
Heizwert 4,2 MJ/Nm³ (UHW)Calorific value 4.2 MJ/Nm³ (UHW)
Temperatur 290ºC (nach Zusatzkompressor)Temperature 290ºC (after additional compressor)
Menge 26,6 Nm³/sQuantity 26.6 Nm³/s
Druck 15 BarPressure 15 bar
Temperatur 1100ºCTemperature 1100ºC
Temperatur 125ºCTemperature 125ºC
Menge 7 kg/sQuantity 7 kg/s
Angenommen wird eine Mindesttemperaturdifferenz von 20ºC zwischen Heizfluiden und erwärmten Fluiden in den Rekuperatoren.A minimum temperature difference of 20ºC is assumed between heating fluids and heated fluids in the recuperators.
Verbrennungswirkungsgrade und mechanische Wirkungsgrade werden mit 1,0 angesetzt.Combustion efficiencies and mechanical efficiencies are set at 1.0.
Hilfsenergie wird als vernachlässigbar angesetzt.Auxiliary energy is considered negligible.
Keine Vorsorge getroffen wird für zusätzliche Gasturbinenkühlung.No provision is made for additional gas turbine cooling.
Der Energieverbrauch im Luftzusatzkompressor beträgt 3,3 MW (Wirkungsgrad 0,8).The energy consumption in the additional air compressor is 3.3 MW (efficiency 0.8).
Nettoleistung 85,9 MWNet output 85.9 MW
Nettoenergieausbeute 32%Net energy yield 32%
Wärmewirkungsgrad 65%Thermal efficiency 65%
Temperatur im Rauchgas nach dem Rekuperator 200ºCTemperature in the flue gas after the recuperator 200ºC
Abgasmenge 163 Nm³/sExhaust gas quantity 163 Nm³/s
Wasserdampfgehalt im Rauchgas 10,8%Water vapor content in flue gas 10.8%
Sauerstoffgehalt im Turbinenabgas 10,9%Oxygen content in turbine exhaust gas 10.9%
In einem Schwarzlaugenvergaser erzeugtes Prozeßgas wird durch Wärmeaustausch gekühlt und weiterhin in einem Wäscher auf eine Temperatur von 40ºC abgekühlt, wobei 86 Tonnen Wasserdampf von 5 Bar und 27 Tonnen Wasserdampf von 2 Bar pro Stunde zur Verwendung in der Fabrik zurückgewonnen werden. Weitere einschlägige Daten wie in Beispiel I.Process gas produced in a black liquor gasifier is cooled by heat exchange and further cooled in a scrubber to a temperature of 40ºC, recovering 86 tonnes of 5 bar steam and 27 tonnes of 2 bar steam per hour for use in the plant. Other relevant data as in Example I.
Das gereinigte, gekühlte Prozeßgas wird in einem Wärmetauscher (24) auf 300ºC vorgewärmt und dann in einem Gegenstrom-Mehrstufensattiger angefeuchtet, wobei die Gastemperatur auf 131ºC gesenkt wird. Danach wird das gesättigte Prozeßgas in einem Wärmetauscher durch Wärmeentzug aus dem Gasturbinenabgas vorgewärmt. Die Temperatur des in den Gasturbinenkombustor eintretenden Prozeßgases beträgt 450ºC.The cleaned, cooled process gas is preheated to 300ºC in a heat exchanger (24) and then humidified in a countercurrent multi-stage saturator, whereby the gas temperature is reduced to 131ºC. The saturated process gas is then preheated in a heat exchanger by removing heat from the gas turbine exhaust gas. The temperature of the process gas entering the gas turbine combustor is 450ºC.
Eingesetzt wird die Gasturbinenabwärme zum Wärmeaustausch mit eintretendem Treibgas in zwei Rekuperatiwärmetauschern und zur Erzeugung von 34 Tonnen Wasserdampf von 12 Bar pro Stunde in einem Abwärmekessel. (25)The gas turbine waste heat is used for heat exchange with incoming propellant gas in two recuperation heat exchangers and for generating 34 tons of steam at 12 bar per hour in a waste heat boiler. (25)
Eine Kompressorzwischenkühlung kommt in diesem Zyklus nicht zum Einsatz, und die Wärme im Kompressorabgas wird unmittelbar auf den Kombustor übertragen.Compressor intercooling is not used in this cycle and the heat in the compressor exhaust is transferred directly to the combustor.
Ein Teil der Heißluft aus dem Kompressor wird abgezapft und zum Einsatz als Vergaseroxidationsmittel zurückgeführt. (26)Part of the hot air from the compressor is tapped and returned for use as a carburetor oxidizer. (26)
Nettoleistung 76,6 MWNet output 76.6 MW
Nettoenergieausbeute 28%Net energy yield 28%
Wärmewirkungsgrad 69%Thermal efficiency 69%
Temperatur im ausgeblasenen Rauchgas 210ºCTemperature in the exhausted flue gas 210ºC
Wasserdampfgehalt im Rauchgas 9,2%Water vapor content in flue gas 9.2%
Sauerstoffgehalt im Turbinenabgas 11,8%Oxygen content in turbine exhaust gas 11.8%
Das aus den Rekuperatoren kommende Turbinenauslaßrauchgas enthalten immer noch eine beträchtliche Wärmemenge, allerdings bei niedriger Temperatur. Diese Wärme kann beispielsweise zur Erzeugung von Niederdruckdampf genutzt werden. Angesichts des verhltnismäßig hohen Wassergehalts im Rauchgas kann auch eine Kondensationswärmerückgewinnung von Vorteil sein.The turbine outlet flue gas coming from the recuperators still contains a considerable amount of heat, but at a low temperature. This heat can be used, for example, to generate low-pressure steam. Given the relatively high water content in the flue gas, condensation heat recovery can also be advantageous.
Bei einer Kondensationswärmerückgewinnungsanlage wird die Temperatur des Rauchgases unter den Wasserdampftaupunkt gesenkt, was Kondensation zur Folge hat. Bei der zurückgewonnenen Wärme handelt es sich sowohl um fühlbare als auch latente Wärme, wobei letztere den größeren Beitrag liefert. Die gleiche Energiemenge oder noch mehr kann durch Rauchgaskondensationswärmerückgewinnung in Dampfinjektionsgasturbinenzyklen zurückgewonnen werden.In a condensation heat recovery system the temperature of the flue gas is reduced below the water vapor dew point, resulting in condensation. The heat recovered is both sensible and latent heat, with the latter making the larger contribution. The same amount of energy, or even more, can be recovered by flue gas condensation heat recovery in steam injection gas turbine cycles.
Ein weiterer potentieller Vorteil der Kondensationsrauchgaswärmerückgewinnung liegt darin, daß damit verhältnismäßig reines Wasser gewonnen werden kann, das als Kreiswasser und als Einspritzwasser oder -dampf eingesetzt werden kann.Another potential advantage of condensation flue gas heat recovery is that it can produce relatively pure water that can be used as circulating water and as injection water or steam.
Bei der modernen Kraft-Fabrik sind Kessel oder Vergaser mit Schnitzel- und/oder Rindenfeuerung vielfach integriert. Andere Fabriken wieder verfügen über Erdgas, das verschiedenen Zwecken dient, etwa als Kalkofenbrennstoff.In modern power plants, boilers or gasifiers with wood chip and/or bark firing are often integrated. Other factories have natural gas, which serves various purposes, such as lime kiln fuel.
Die vorliegende Erfindung kann zusammen mit der Verbrennung anderer in der Fabrik verfügbarer gasförmiger oder flüssiger Kohlenwasserstoffbrennstoffe ausgeübt werden. Beispielsweise kann zusätzliches Erdgas oder Biogas in einem Vorbrenner im Druckluftstrom oder am Gasturbinenkombustor verfeuert werden, wodurch die Gasturbineneinlaßtemperatur und die Ausgangsleistung gesteigert werden.The present invention may be practiced in conjunction with the combustion of other gaseous or liquid hydrocarbon fuels available in the plant. For example, additional natural gas or biogas may be combusted in a pre-burner in the compressed air stream or at the gas turbine combustor, thereby increasing the gas turbine inlet temperature and power output.
Das gleiche Ziel kann man erreichen, indem das Brenngas aus dem Vergaser mit einem anderen kohlenwasserstoffartigen Brennstoff vermischt wird.The same goal can be achieved by mixing the combustion gas from the carburetor with another hydrocarbon-like fuel.
Eine weitere Technik zur Erhöhung der Ausgangsleistung bei der vorliegenden Erfindung besteht darin, an verschiedenen Orten Dampf in den Kombustor oder die Gasturbine einzublasen.Another technique for increasing the output power in the present invention is to inject steam into the combustor or gas turbine at different locations.
Der dem Gasgenerator nachgeschaltete Schnellkühler könnte durch Flüssigkeitszyklone oder durch Kühlung mittels Flüssigkeitseinspritzung ersetzt werden. In den beigefügten Ansprüchen fallen derartige Vorrichtungen unter den Begriff "Kontaktierzone".The rapid cooler downstream of the gas generator could be replaced by liquid cyclones or by cooling by means of liquid injection. In the appended claims, such devices fall under the term "contact zone".
Es liegt auf der Hand, daß auch verschiedene, dem Fachmann einleuchtende Abwandlungen der hier dargelegten Erfindung denkbar sind. So könnten zum Beispiel mehrere Zwischenkühler verwendet werden und bei der Gasturbine auch Zwischenüberhitzer zum Einsatz kommen. Eine Befeuchtung kann in einem oder in mehreren Schritten mit nachfolgendem Vorwärmen erfolgen, und Wasser oder Dampf können an verschiedenen Orten im Zyklus eingespritzt werden, um den Treibfluidmassenstrom zu steigern.It is obvious that various modifications of the principles set out here, which will be apparent to the person skilled in the art, invention. For example, several intercoolers could be used and reheaters could also be used in the gas turbine. Humidification can take place in one or more steps with subsequent preheating, and water or steam can be injected at different points in the cycle to increase the motive fluid mass flow.
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|---|---|---|---|
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Owner name: CHEMREC AB, STOCKHOLM, SE |
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Representative=s name: BECKER, KURIG, STRAUS, 80336 MUENCHEN |
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