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Title:
COMBINED USE OF WASTE HEAT AND WASTE WATER/SOLS FOR THE PRODUCTION OF DRINKING WATER IN COMBINED-CYCLE POWER PLANTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/219472
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an installation (1) comprising a gas turbine (2), a waste heat steam generator (3) connected downstream of the gas turbine (2) and a first water preparation system (4) having a raw water supply (5), wherein the raw water supply (5) comprises heating surfaces (6) that are arranged in the waste heat steam generator (3), wherein the raw water supply (5) is connected to a wastewater outlet (7) of a second water preparation system (8). The invention also relates to a method for obtaining drinking water.

Inventors:
FUCHS THOMAS (DE)
HÜTTL CHRISTIAN (DE)
Application Number:
EP2019/061780
Publication Date:
November 21, 2019
Filing Date:
May 08, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
B01D1/00; B01D3/00; B01D3/14; C02F1/04; C02F1/16; C02F1/44; F22B1/18
Domestic Patent References:
WO2010063789A22010-06-10
WO2014090973A12014-06-19
Foreign References:
DE102014217280A12016-03-03
EP1413554A12004-04-28
Other References:
DVORNIKOV V ED - HILAL NIDAL: "Seawater multi-effect distillation energized by a combustion turbine", DESALINAT, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 127, no. 3, 1 February 2000 (2000-02-01), pages 261 - 269, XP004194983, ISSN: 0011-9164, DOI: 10.1016/S0011-9164(00)00015-1
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Claims:
Patentansprüche

1. Anlage (1) umfassend eine Gasturbine (2), einen der Gas turbine (2) nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger (3) und eine erste Wasseraufbereitungsanlage (4) mit einer Roh wasserzufuhr (5) , wobei die Rohwasserzufuhr (5) Heizflä chen (6) umfasst, die im Abhitzedampferzeuger (3) ange ordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohwasser zufuhr (5) mit einem Abwasserausgang (7) einer zweiten Wasseraufbereitungsanlage (8) verbunden ist.

2. Anlage (1) nach Anspruch 1, wobei die Heizflächen (6) am kalten Ende (9) des Abhitzedampferzeugers (3) angeordnet sind .

3. Anlage (1) nach Anspruch 2, wobei im Betrieb am kalten Ende (9) des Abhitzedampferzeugers (3) ein Abgas der Gas turbine (2) Temperaturen zwischen 80 und 140 °C aufweist.

4. Anlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Wärmeübertrager (10) mit einer ersten Seite (11) den Heizflächen (6) für die Rohwasserzufuhr (5) und mit einer zweiten Seite (12) einem Kondensatvorwärmer (13) nachge schaltet ist, der im Abhitzedampferzeuger (3) in Strö mungsrichtung eines Abgases der Gasturbine (2) den Heiz flächen (6) vorgeschaltet ist.

5. Anlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Heizflächen (6) gegen Schwefelsäurekorrosion geschützt sind .

6. Anlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Abwas ser aus der zweiten Wasseraufbereitungsanlage (8) als Kühlwasser in die erste Wasseraufbereitungsanlage (4) ge schaltet ist.

7. Anlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Wasseraufbereitungsanlage (4) für ein Niedertempe ratur-Entsalzungsverfahren ausgelegt ist.

8. Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser, wobei Rohwasser in einem einer Gasturbine (2) nachgeschalteten Abhitze dampferzeuger (3) erwärmt wird und einer ersten Wasser aufbereitungsanlage (4) zugeführt wird, dadurch gekenn zeichnet, dass Abwasser aus einer zweiten Wasseraufberei tungsanlage (8) als Rohwasser verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Rohwasser am kalten Ende (9) des Abhitzedampferzeugers (3) erwärmt wird, wo bei am kalten Ende (9) das Abgas der Gasturbine (2) eine Temperatur zwischen 80 und 140 °C aufweist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das Abgas der Gasturbine (2) zuerst nur soweit abgekühlt wird, dass ein Schwefelsäuretaupunkt nicht unterschritten wird und die dabei aus dem Abgas gewonnene Wärme einem Wasser/Dampf-Kreislauf (14) zugeführt wird und eine Er wärmung des Rohwassers dann durch weitere Abkühlung des Abgases unter den Schwefelsäuretaupunkt erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das im Abhitzedampferzeuger (3) bereits erwärmte Rohwasser über einen externen Wärmeübertrager (10) durch ein in einem Kondensatvorwärmer (13) des Abhitzedampferzeugers (3) vorgeheiztes Kondensat nachgeheizt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei Abwas ser aus der zweiten Wasseraufbereitungsanlage (8) als Kühlwasser für die erste Wasseraufbereitungsanlage (4) verwendet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Rohwasser in der ersten Wasseraufbereitungsanlage (4) in einem Niedertemperatur-Entsalzungsverfahren aufbereitet wird .

Description:
Beschreibung

Kombinierte Nutzung von Abwärme und Abwasser/Sole zur Trink wasserproduktion in Gas- und Dampf-Kraftwerken

Die Erfindung betrifft eine Anlage mit einer Gas- und Dampf turbinenanlage und mit einer Wasseraufbereitungsanlage sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.

Die Herstellung von Trinkwasser aus Oberflächenwasser (Flüs se, Seen, Meer) ist ein energetisch aufwändiger Prozess. Die herkömmlichen Verfahren arbeiten entweder mit hohen Drücken (Umkehrosmose) oder benötigen große Mengen thermischer Ener gie (Multi-Effekt-Destillation, Multi-Stage-Flash) . Dieser hohe Energiebedarf stellt einen großen Betriebskostenfaktor beim Betrieb derartiger Anlagen dar. Aufgrund des weltweit steigenden Bedarfs an Trinkwasser ergibt sich das Erfordernis zur Entwicklung von energieoptimierten Schaltungen und Ver fahren zur Trinkwassererzeugung. Ein zweiter Aspekt ist die zunehmende Verbauung der Küstenlinien durch die benötigten Einlaufbauwerke (speziell am Meer, siehe z.B. Kalifornien). Aus diesem Grund ist eine Erhöhung der Ausbeute der vorhande nen Trinkwasserproduktionsanlagen ohne Vergrößerung der Ein laufbauwerke anzustreben.

Bisherige Lösungsansätze setzen zum einen bei der energeti schen Optimierung der Kernprozesse (Umkehrosmose, MED, MSF) der Trinkwasseraufbereitung und der Entwicklung neuer Verfah ren zur Trinkwasseraufbereitung an. Zum anderen werden der zeit Verfahren zur Aufbereitung der bei der herkömmlichen Trinkwasserproduktion anfallenden Sole-Ströme entwickelt und untersucht. Dabei wird versucht den energetischen Bedarf die ser Verfahren entweder durch industrielle Abwärme (falls vor handen) oder solare Lösungen zu decken. Beide Möglichkeiten der Energieversorgung haben Ihre Schwächen: Industrielle Ab wärme ist nicht flächendeckend vorhanden, was das Anwendungs gebiet lokal und kapazitiv einschränkt. Bei der solaren Ver sorgung sind große Flächen an Solarpanelen erforderlich, was einen nicht unerheblichen Kostenfaktor darstellt. Zudem ist bei einer solaren Energieversorgung keine durchgängige Pro duktion möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage bereitzustellen, die eine verbesserte Wasseraufbereitung ermöglicht und die zugleich möglichst einfach und kostengünstig arbeitet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Ver fahren zum Betrieb einer solchen Anlage anzugeben.

Die Erfindung löst die auf eine Anlage gerichtete Aufgabe, indem sie vorsieht, dass bei einer derartigen Anlage umfas send eine Gasturbine, einen der Gasturbine nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger und eine erste Wasseraufbereitungsanlage mit einer Rohwasserzufuhr, die Heizflächen umfasst, die im Abhitzedampferzeuger angeordnet sind, die Rohwasserzufuhr mit einem Abwasserausgang einer zweiten Wasseraufbereitungsanlage verbunden ist.

Das hier vorgestellte Konzept zur Aufbereitung von Wasser bezieht die für den Aufbereitungsschritt notwendige thermi sche Energie somit aus der Abwärme des Abhitzedampferzeugers einer Gas- und Dampfturbinen-Anlage . Dadurch, dass die Roh wasserzufuhr mit einem Abwasserausgang einer zweiten Wasser aufbereitungsanlage verbunden ist, kann die Sole, welche als Abwasser aus den konventionellen Trinkwasseraufbereitungs anlagen anfällt, im Abhitzedampferzeuger der GuD-Anlage er wärmt werden. Grundsätzlich kann dies mit jeder Art von Roh wasser als Eduktwasser erfolgen; es wird allerdings davon ausgegangen, dass sich der maximale wirtschaftliche Nutzen aus der kombinierten Verwendung von Abwasser aus der konven tionellen Wasseraufbereitung und Abwärme aus der GuD-Anlage ergibt .

Es ist zweckmäßig, wenn die von der Rohwasserzufuhr umfassten Heizflächen am kalten Ende des Abhitzedampferzeugers angeord net sind, insbesondere, wenn im Betrieb am kalten Ende des Abhitzedampferzeugers ein Abgas der Gasturbine Temperaturen zwischen 80 und 140 °C aufweist. Bis zu diesen Temperaturen lässt sich die Abwärme vorteilhaft für den Wasser-Dampf- Kreislauf der Gas- und Dampfturbinenanlage nutzen, ohne Ge fahr zu laufen, die „letzten" Wärmeübertragerflächen im Ab hitzedampferzeuger einer Schwefelsäurekorrosion auszusetzen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Wärmeübertrager mit einer ersten Seite den Heizflä chen für die Rohwasserzufuhr und mit einer zweiten Seite ei nem Kondensatvorwärmer nachgeschaltet, der im Abhitzedampf erzeuger in Strömungsrichtung eines Abgases der Gasturbine den Heizflächen der Rohwasserzufuhr vorgeschaltet ist. Diese Maßnahme, die Sole über einen externen Wärmeübertrager durch das im Kondensatvorwärmer vorgeheizte Kondensat nachzuheizen, kann bei entsprechenden Randbedingungen (Verhältnis Wasser preis zu Strompreis) sinnvoll sein. Alternativ dazu könnte die Erwärmung der Sole auch bei höheren Temperaturen im Ab hitzedampferzeuger begonnen werden, um mehr Wärme der Wasser produktion zuzuführen. Dies müsste dann über eine alternative Abhitzedampferzeugerauslegung erfolgen .

Je nach Schwefelgehalt des Rauchgases ist es zweckmäßig, die sich mit dem Rauchgas in Kontakt befindlichen Heizflächen ge gen Schwefelsäurekorrosion zu schützen (Beschichtung oder Kunststoffmaterial) , da bei der Wärmeauskopplung der Schwe felsäuretaupunkt des Rauchgases bewusst unterschritten werden soll, um möglichst viel Abwärme aus dem Rauchgas zu nutzen.

Es ist vorteilhaft, wenn Abwasser aus der zweiten Wasserauf bereitung als Kühlwasser in die erste Wasseraufbereitungs anlage geschaltet ist. Somit ergibt sich ein weiterer Syner gieeffekt .

Schließlich ist es vorteilhaft, wenn die erste Wasseraufbe reitungsanlage für ein Niedertemperatur-Entsalzungsverfahren (humidification-dehumidifictation oder Multi-Effekt- Destillation) ausgelegt ist. Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser, wobei Rohwasser in einem einer Gasturbine nachgeschalteten Abhitzedampferzeu ger erwärmt wird und einer ersten Wasseraufbereitungsanlage zugeführt wird, wobei Abwasser aus einer zweiten Wasseraufbe reitungsanlage als Rohwasser verwendet wird.

Es ist zweckmäßig, wenn das Rohwasser am kalten Ende des Ab hitzedampferzeugers erwärmt wird, wobei am kalten Ende das Abgas der Gasturbine eine Temperatur zwischen 80 und 140 °C aufweist .

Ferner ist es zweckmäßig, wenn das Abgas der Gasturbine zu erst nur soweit abgekühlt wird, dass ein Schwefelsäuretau punkt nicht unterschritten wird und die dabei aus dem Abgas gewonnene Wärme einem Wasser/Dampf-Kreislauf zugeführt wird und eine Erwärmung des Rohwassers dann durch weitere Abküh lung des Abgases unter den Schwefelsäuretaupunkt erfolgt.

Es kann vorteilhaft sein, wenn das im Abhitzedampferzeuger bereits erwärmte Rohwasser über einen externen Wärmeübertra ger durch ein in einem Kondensatvorwärmer des Abhitzedampfer zeugers vorgeheiztes Kondensat nachgeheizt wird.

Weiter kann es vorteilhaft sein, wenn Abwasser aus der zwei ten Wasseraufbereitungsanlage als Kühlwasser für die erste Wasseraufbereitungsanlage verwendet wird.

Schließlich ist es vorteilhaft, wenn das Rohwasser in der ersten Wasseraufbereitungsanlage in einem Niedertemperatur- Entsalzungsverfahren aufbereitet wird.

In erfinderischen Verfahren wird also zusätzliches Trinkwas ser gewonnen, wobei die als Eduktstrom eingebrachte Sole wei ter aufkonzentriert und in die Sole-Ableitungsleitung der konventionellen Entsalzung zurückgeleitet wird. Durch die direkte Verwendung von Abwärme aus dem Abhitze dampferzeuger ergeben sich auch Möglichkeiten zur Verschie bung des sog. Water-to-Power-Ratios einer GuD-Anlage mit an geschlossener Trinkwasseraufbereitung. Im angedachten Basis anwendungsfall soll das Rauchgas bis knapp oberhalb des

Schwefelsäuretaupunkts ausgekühlt werden und die dabei aus dem Abhitzedampferzeuger gewonnene Wärme dem Wasser/Dampf- Kreislauf der GuD-Anlage zugeführt werden. Die Erwärmung der Sole erfolgt dann durch weitere Auskühlung des Rauchgases un ter den Schwefelsäuretaupunkt.

Die Vorteile der vorgeschlagenen Lösung ergeben sich wie folgt :

• die Verwendung von Abwärme und Abwasser führt zu einer energieeffizienteren Erzeugung von Trinkwasser (geringe re spezifische Wassergestehungskosten) ,

• die produzierte Trinkwassermenge kann gesteigert werden, ohne dabei eine Vergrößerung der Wassereinlaufbauwerke durchführen zu müssen und

• nach aktuellem Entwicklungsstand lassen sich durch den Einsatz der Technologie etwa 10% der Trinkwasserproduk tion einer typischen GuD-Anlage mit Meerwasserentsalzung substituieren bzw. kann die Gesamtkapazität um diesen Prozentsatz gesteigert werden.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

Figur 1 eine Anlage mit Wasseraufbereitung für jegliche Art von Rohwasser als Eduktwasser, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist,

Figur 2 eine Anlage mit Wasseraufbereitung unter Verwendung von Abwasser aus einer konventionellen Wasseraufbe reitung nach der Erfindung,

Figur 3 eine Anlage wie in Figur 2 gezeigt mit zusätzlichem

Wärmeübertrager und Figur 4 eine Anlage mit Wasseraufbereitung unter Verwendung von Abwasser aus der konventionellen Wasseraufberei tung mit zusätzlicher Verwendung der Umkehrosmose- Sole als Kühlwasser.

Die Figur 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine bekannte Anlage 1, umfassend eine Gasturbine 2, einen der Gasturbine 2 nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger 3 und eine erste Was seraufbereitungsanlage 4, die für ein Niedertemperatur- Entsalzungsverfahren ausgelegt ist. Die Rohwasserzufuhr 5 um fasst Heizflächen 6, die am kalten Ende 9 des Abhitzedampfer zeugers 3 angeordnet sind, d.h. dort, wo im Betrieb ein Abgas der Gasturbine 2 Temperaturen zwischen 80 und 140 °C auf weist.

Die Anlage 1 zeigt ferner den Wasserablauf 15 für die aufkon zentrierte Sole sowie einen Trinkwasserausgang 16.

Die Figur 2 zeigt die Anlage 1 nach der Erfindung mit Wasser aufbereitung unter Verwendung von Abwasser aus einer konven tionellen Wasseraufbereitung.

Neben den für die Figur 1 genannten Merkmalen, die mit den selben Bezugszeichen versehen sind, zeigt die Figur 2, dass die Rohwasserzufuhr 5 mit einem Abwasserausgang 7 einer zwei ten Wasseraufbereitungsanlage 8 verbunden ist.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 umfasst die zweite Wasser aufbereitungsanlage 8 einen ersten Teil 17, der nach dem Prinzip der Umkehrosmose arbeitet, sowie einen zweiten Teil 18, bei dem die Entsalzung thermisch erfolgt.

Die Figur 3 zeigt eine Lösung, mit der die Temperatur des Rohwassers nach der Erwärmung in den im Abhitzedampferzeuger 3 angeordneten Heizflächen 6 weiter angehoben werden kann. Hierzu wird ein zusätzlicher Wärmeübertrager 10 mit einer im Ausführungsbeispiel wärmeabgebenden ersten Seite 11 und einer wärmeaufnehmenden zweiten Seite 12 benötigt. Mit der zweiten Seite 12 ist der Wärmeübertrager 10 den Heizflächen 6 für die Rohwasserzufuhr 5 nachgeschaltet und mit der ersten Seite 11 ist der Wärmeübertrager 10 einem Kondensatvorwärmer 13 nach geschaltet, der im Abhitzedampferzeuger 3 in Strömungsrich tung eines Abgases der Gasturbine 2 den Heizflächen 6 vorge schaltet ist. Dabei stellt der Kondensatorvorwärmer den in Strömungsrichtung eines Abgases der Gasturbine 2 letzten Teil der Heizflächen eines Wasser-Dampf-Kreislaufs für eine Dampf turbine dar.

Weiter ist in der Figur 3 angedeutet, dass die Heizflächen 6 gegen Schwefelsäurekorrosion durch eine Beschichtung ge schützt sind. Alternativ kann der Schutz auch durch die Aus gestaltung der Heizflächen 6 als ein Kunststoffmaterial er folgen .

Figur 4 bildet die Ausführungsformen der Figuren 2 und 3 wei ter, indem Abwasser aus der zweiten Wasseraufbereitungsanlage 8, insbesondere natürlich des kühleren ersten Teils 17 mit der Umkehrosmose, als Kühlwasser in die erste Wasseraufberei tungsanlage 4 geschaltet ist.