Die Erfindung betrifft ein Stromerzeugungsverfahren unter Einsatz eines sogenannten Kombi-Prozesses, d.h. eines kom¬ binierten Gas- und Dampf-Turbinenprozesses, bei dem das in der Gasturbine eingesetzte Brenngas durch partielle Oxida- tion von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen erzeugt und einer Gasturbine als heißes Druckgas zugeführt wird und wobei we¬ nigstens die Energie der Turbinenabgase zur Erzeugung des die Dampfturbine beaufschlagenden Dampfes herangezogen wird.

Die Verfahren zur Stromerzeugung müssen einen hohen thermo- dynamischen Wirkungsgrad besitzen, den gültigen Anforderun¬ gen bezüglich der Luftreinhaltung entsprechen und erträgli¬ che Kosten verursachen. Diese Anforderungen erfüllt u.a. der kombinierte Gas- und Dampfturbinenprozeß mit integrier¬ ter Brenngaserzeugung.

Bei diesem Prozeß wird der eingesetzte Brennstoff mittels partieller Oxidation zu Brenngas umgewandelt. Als Oxida- tionsmittel dient dabei Luft, mit Sauerstoff angereichertes Gas oder Sauerstoff. Bei der vorliegenden Erfindung ge¬ schieht die Brenngaserzeugung in einem Vergasungsverfahren, bei dem die Brennstoffe mittels Sauerstoff oder mittels Sauerstoffangereichertem Gas partiell oxidiert werden.

Als kohlenstoffhaltige Brennstoffe werden beispielsweise Kohlen, Holz, Torf, bituminöse Destillationsrückstände der Erdölverarbeitung, wässrige Emulsionen von Erdölen bzw. Kohlenwasserstoffen oder Fraktionen aus der Erdölverarbei¬ tung, wie z.B. Schweröle oder Benzine, verwendet.

Der Brennstoff wird unter Druck partiell oxidiert und somit vergast, wodurch als Produkt ein rohes Brenngas entsteht. Es werden Vergasungsdrücke im Bereich von 25 bis 85 bar an¬ gewendet, die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf die¬ sen Bereich beschränkt.

Die Vergasung der Brennstoffe kann im Temperaturbereich von 800 ^β C bis 1.600*C vorgenommen werden, die im Vergaser ein¬ gestellte Temperatur richtet sich nach der gewünschten Zu¬ sammensetzung des produzierten rohen Brenngases und dem eingesetzten Brennstoff. Bei hohen Vergasungstemperaturen oberhalb 1.300°C stellt sich ein KohlenstoffUmsatz nahe 100 % ein und es wird eine hohe Gaβreinheit erzielt, d.h., es bilden sich sehr wenig höhere Kohlenwasserstoffe.

Das rohe Brenngas wird in einem Rohgaskühler gekühlt und sodann ggf. vom Staub befreit. Die in der anschließenden Gaswäsche abgetrennten Schwefelverbindungen werden zu ele¬ mentarem Schwefel umgewandelt, der als Nebenprodukt ver-

kauft werden kann. Das in der Gasreinigung erzeugte reine Brenngas wird mit einem Druck von beispielsweise etwa 20 bar an die Gasturbinenanlage abgegeben.

Das gereinigte Brenngas wird in einer Gasturbinenanlage mit einem Brennkammerdruck von beispielsweise 16 bar verbrannt und entspannt. In einem der Gasturbinenanlage nachgeschal¬ teten Abhitzekessel wird mit dem heißen Gasturbinenabgas Hochdruckdampf erzeugt, der ebenso wie der im Rohgaskühler nach der Vergasung produzierte Dampf einer Dampfturbine zu¬ geführt wird. Über die Hälfte der insgesamt gewonnenen elektrischen Energie stammt aus der Gasturbine.

Die wesentlichen Vorteile dieses kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozesses mit integrierter Brenngaserzeugung sind augenfällig:

Infolge der thermodynamischen Vorteile durch höheres Druck¬ bzw. Temperaturniveau der Energieumsetzung in der Gasturbi¬ ne und durch die Kombination des Gas- und Dampfturbinenpro¬ zesses wird ein beträchtlich höherer Wirkungsgrad erzielt als beim konventionellen Prozeß, bei dem der eingesetzte Brennstoff unter dem vergleichsweise niederen Atmosphären¬ druck verbrannt wird.

Die Reinigung des rohen Brenngases unter erhöhtem Druck ge¬ stattet eine äußerst wirkungsvolle und wirtschaftliche Ab¬ trennung der Schadstoffe.

Das bei der partiellen Oxidation verbrauchte Oxidationsmit- tel, also der Sauerstoff oder das mit Sauerstoff angerei¬ cherte Gas, wird in einer Luftzerlegungsanlage erzeugt. Die zu zerlegende Luft wird der Atmosphäre entnommen und ver¬ dichtet. Durch Ausnutzung des Joule-Thomson-Effektes bei der Entspannung und durch Führung des Wärmeaustausches im Gegenstrom wird die Luft verflüssigt und destillativ in je einen sauerstofführenden und je einen stickstofführenden Teilstrom aufgetrennt. Die Teilströme werden von der Luft¬ zerlegung gasförmig und etwas über Atmosphärendruck abgege¬ ben. Der sauerstofführende Teilstrom wird auf den Verga¬ sungsdruck verdichtet und in den Vergaser eingespeist. Es ist jedoch auch mit anderen Methoden der LuftZerlegung mög¬ lich, einen stickstofführenden Teilstrom bei etwas über At¬ mosphärendruck zu erzeugen.

Mindestens eine Teilmenge des von der Luftzerlegung pro¬ duzierten stickstofführenden Teilstromes wird gesondert auf Brennkammerdruck verdichtet und in die Brennkammer der Gas¬ turbine eingespeist. Die Injektion von Stickstoff in die Brennkammer der Gasturbine geschieht mit der Absicht, die Bildung von Stickoxiden bei der Umsetzung des Brenngases in

der Gaβturbinenbrennkammer auf ein möglichst geringes Maß zu beschränken.

In der Veröffentlichung von R. Müller und U. Schiffers, "Kohlendruckvergasung für den Kombi-Prozeß; Stand, Wir¬ kungsgrad und Entwicklungsziele", erschienen in VGB KRAFTWERKSTECHNIK 68, Heft 10, Oktober 1988, Seite 1022 bis 1030, werden kombinierte Gas- und Dampf-Turbinenprozesse mit integrierter Brenngaserzeugung dargestellt, wobei die Brenngaserzeugung aus Kohlen im Mittelpunkt der Erörterun¬ gen steht. In dieser Veröffentlichung ist in Bild 4 bzw. in Bild 5 ein Verfahrensfließbild für den vorbeschriebenen kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozeß (GuD-Prozeß) an¬ gegeben. Leider sind die Bildunterschriften vertauscht. Richtigerweise zeigt Bild 4 das "GuD-Kraftwerk mit Texaco- Vergaser" und Bild 5 das "GuD-Kraftwerk mit PRENFLO-Verga- ser".

In beiden dargestellten Verfahren wird die in der Luftzer¬ legung benötigte Kompressionsarbeit zur Verdichtung der eingesetzten Luft vom Kompressor der Gasturbinenanlage ge¬ leistet. Diese Schaltung weist jedoch einen Nachteil auf, der bei der Ingangsetzung des gesamten Kraftwerkes zum Tra¬ gen kommt. Die voneinander abhängigen Anlageteile müssen in der Reihenfolge ihrer Anordnung nacheinander in Gang ge¬ setzt werden, in diesem Fall wäre also zunächst die Luft-

Zerlegung, daraufhin die Vergasung und danach die Gasturbi¬ nenanlage auf funktionsgerechte Weise zum Produzieren zu bringen, da die Vergasung ohne die Zufuhr des sauerstoffüh¬ renden Teilβtro es nicht arbeiten kann und gleichermaßen erst die Zufuhr des in der Vergasung erzeugten Brenngases die Ingangsetzung der Gasturbine erlaubt.

In den in Bild 4 bzw. Bild 5 gezeigten Verfahrensfließbil¬ dern ist aber die Funktionsweise der LuftZerlegung von der Kompressionsarbeit der Gasturbine abhängig, d.h. die Kette der Abhängigkeiten ist geschlossen und das GuD-Kraftwerk läßt sich nur mittels zusätzlicher, nicht gezeigter Hilfs¬ einrichtungen in Gang setzen. Zusätzlich erschweren die Ab¬ hängigkeiten die Anpassung des GuD-Kraftwerkes an Lastände¬ rungen.

In der WO 92/17775 ist ein Verfahren für ein Kombikraftwerk angegeben, bei dem zur Begrenzung der No _x -Erzeugung dem der Gasturbinenanlage unter Druck zugeführten Brenngas ein inertes Gas beigemischt wird. Als Beimischung werden Was¬ serdampf, Stickstoff bzw. CO2 genannt. Ein Hinweis, inertes Gas der von dem Kompressor der Gasturbinenanlage angesaug¬ ten Luft beizumischen, wird nicht gegeben.

Mit den Verfahren der voranstehend geschilderten Art kann jedoch noch keine vollkommen befriedigende Energieaus¬ nutzung des eingesetzten Brennstoffes erreicht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbesse¬ rung der bekannten Verfahrensführung hinsichtlich des Ener¬ gieaufwandes und der Anlagekosten zu erreichen und mög¬ lichst wirtschaftlich zu gestalten.

Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird die¬ se Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

- daß die Luft aus der Umgebung entnommen und in einer Luftzerlegung in ein im wesentlichen sauerstoffhaltigen Teilstrom und ein im wesentlichen stickstoffhaltigen Teilstrom getrennt und die Teilströme annähernd unter Um- gebungsdruck weitergeführt werden,

- daß der im wesentliche stickstoffhaltige Teilstrom mit einem Luftstrom zur Bildung einer Mischluft gemischt wird,

- daß die entstandene Mischluft im Kompressor der Gastur¬ bine auf Brennkammerdruck gebracht wird, und

- daß die Verbrennung der Brenngase in der Brennkammer der Gasturbinenanlage mit dem größten Teil dieser komprimier¬ ten Mischluft durchgeführt wird.

In Ausgestaltung sieht die Erfindung ein Verfahren vor, bei dem

a) Brennstoff in einer Brenngaserzeugung mittels partieller Oxidation unter Druck vergast und anschließend von Schad¬ stoffen gereinigt wird und ein gereinigtes Brenngas ent¬ steht;

b) dem gereinigten Brenngas Wasserdampf beigemischt wird und es in der Brennkammer einer Gasturbinenanlage unter Druck verbrannt wird, wodurch heißes Druckgas entsteht;

c) das heiße Druckgas in der Gasturbine einer Gasturbinenan¬ lage zu Rauchgas entspannt wird und dabei mechanische Ar¬ beit gewonnen wird;

d) ein Teil der mechanischen Arbeit im Generator der Gastur¬ binenanlage in elektrischen Strom gewandelt wird und mit dem verbliebenen Rest der mechanischen Arbeit der Kompres¬ sor der Gasturbinenanlage angetrieben wird;

e) aus der Umgebung Luft entnommen und sie in einer Luftzerle¬ gung in einen im wesentlichen sauerstoffhaltigen Teilstrom und einen im wesentlichen stickstoffhaltigen Teilstrom ge¬ trennt und die Teilströme annähernd unter Umgebungsdruck abgegeben werden;

f) der genannte Sauerstoffhaltige Teilstrom mittels eines Sauerstoffverdichters auf den Vergasungsdruck gebracht und in den Druck-Vergaser der Brenngaserzeugung eingespeist wird, um darin die partielle Oxidation des Brennstoffes zu bewirken;

g) das in vorgenannten Abschnitt c) angefallene Rauchgas in einem Abhitzekessel in indirekten Wärmeaustausch zu in den Abhitzekessel eingespeistem Wasser geführt wird, wodurch im Abhitzekessel Dampf erzeugt wird, und die an den Dampf übertragene thermische Energie mittels Dampfturbine und Ge¬ nerator wenigstens teilweise in elektrischen Strom gewan¬ delt wird;

h) das im Abhitzekessel abgekühlte Rauchgas in die Umgebung abgeführt wird;

i) der im vorgenannten Abschnitt e) erzeugte, im wesentlichen stickstoffhaltige Teilstrom wenigstens teilweise einem wei¬ teren Luftstrom beigemischt wird und Mischluft entsteht;

j) die entstandene Mischluft im Kompressor der Gasturbinenan¬ lage auf Brennkammerdruck gebracht und mit dem wesentlichen Teil der komprimierten Mischluft die Verbrennung des Brenn-

gases in der Brennkammer der Gasturbinenanlage bewirkt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat eine Reihe von Vortei¬ len:

Der bei der Luftzerlegung zwangsweise anfallende, im we¬ sentlichen stickstofführende Teilstrom wird der für die Brenngasumsetzung in der Brennkammer bestimmten Luft beige¬ mischt. Der Kompressor der Gasturbinenanlage fördert eine konstante, vom jeweiligen Druckverhältnis abhängige Liefer¬ menge. Der beigemischte stickstofführende Teilstrom ersetzt einen dementsprechenden Teil der Luft in der Fördermenge. Die Fördermenge besteht dadurch aus Mischluft, bei der der Sauerstoffgehalt gegenüber dem der aus der Umgebung entnom¬ menen Luft herabgesetzt wird. Diese Möglichkeit der Beein¬ flussung des Sauerstoffgehaltes der der Brennkammer zuge¬ führten Mischluft kann auf überraschende Weise für die Min¬ derung der Stickoxidbildung in der Brennkammer verwendet werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil entsteht dadurch, daß ein gesonderter Verdichter, der den im wesentlichen stick¬ stofführenden Teilstrom auf Brennkammerdruck zu bringen hat, nicht mehr benötigt wird. Das senkt die Investitions¬ und Betriebskosten erheblich. Die Betriebskostenersparnis

ist dadurch gegeben, daß der durch den Stickstoff ersetzte Anteil der Luft in der Fördermenge nicht mehr zu kompri¬ mieren ist.

Ein anderer, wesentlicher Vorteil entsteht dadurch, daß an der Anlagengrenze mehr Strom in das Netz abgegeben werden kann. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Energieumwandlung heraufgesetzt. Dies ist eine umweltfreundliche Wirkung, weil pro eingesetzte Brennstoffeinheit mehr Strom erzeugt oder umgekehrt je erzeugte Kilowattstunde Elektrizität we¬ niger Kohlendioxid, welches als Treibhausgas wirkt, abgege¬ ben wird.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in der einzigen Figur ein Verfahrensschließbild in vereinfachter Darstellung.

In der Figur ist der hier im Vordergrund stehende Anlagen¬ teil, nämlich die Gasturbinenanlage, allgemein mit 100, die vorgeschaltete LuftZerlegungsanlage mit 200 und die nachge¬ schaltete, hier weniger im Vordergrund stehende Dampfturbi- nenanlage mit 300 bezeichnet.

Der Brennstoff wird im dargestellten Beispiel von links ge¬ mäß Pfeil 1 in eine Brenngaserzeugung 101 eingespeist, wo-

bei der Weg des Brenngases durch einen gegenüber den ande¬ ren Strichen stärkeren Strich dargestellt ist. Die folgen¬ den Anlageteile sind dabei die Brenngasreinigung 102, ggf. vorgesehene Brenngasbefeuchtung 103, die Brennkammer 104, die Gasturbine 105 und der von den Abgasen beaufschlagte Abhitzekessel 106.

Der Leitungsweg der Brenngase nach der Brenngaserzeugung 101 ist mit 2 bezeichnet, derjenige der Abgase mit 3; die Abgase nach dem Abhitzekessel sind durch einen Pfeil 4 sym¬ bolisiert.

In die Anlage eingespeist wird auch Luft, und zwar zum er¬ sten in die Luftzerlegung 200, der Lufteintritt ist dort mit 5 bezeichnet. Durch die Luftzerlegung wird ein überwie¬ gend Stickstoff enthaltender Gasstrom 6 aus der Luftzerle¬ gung ausgeleitet und ein überwiegend Sauerstoff enthalten¬ der Strom 7. Der Sauerstoff 7 wird über einen Verdichter 201 komprimiert und in komprimierter Form der Brenngaser¬ zeugung 101 zugeführt. Der auf den dort herrschenden Verga¬ serdruck verdichtete Sauerstoffström trägt das Bezugszei¬ chen 8. Wasserdampf oder Wasser wird ggf. der Brenngasbe¬ feuchtung 103 zugeführt, der entsprechende Pfeil ist in der Figur mit 9 bezeichnet.

Für die Erfindung von Bedeutung ist eine zweite Luftzufuhr in das System, und zwar zur Beaufschlagung des Kompressors 107 der Gasturbinenanlage 100, welche von der Gasturbine 105 angetrieben wird, wobei letztere auch den Gasturbinen¬ generator 108 zur Stromerzeugung antreibt. Diese zweite Luftzuführung ist mit 10 bezeichnet, sie wird erkennbar vom Stickstoffström 6 beaufschlagt, wobei die beiden ineinander gemischten Ströme gemäß Pfeil 11 dem Kompressor 107 zuge¬ führt werden und als komprimierter Basisstrom bzw. Misch- luftstrom 16 in die Brennkammer 104 eingespeist werden. In der Figur ist noch eine Überschußluftabnahme gemäß Pfeil 13 dargestellt.

Lediglich angedeutet ist in der Figur die Prozeßdampfent¬ nahme 14 aus dem Abhitzekessel 106 zur Beaufschlagung der Dampfturbine 109, die den Generator 110 treibt.

In die Brenngaβerzeugung 101 wird neben dem Brennstoff Sauerstoff und Dampf als Vergasungsmittel eingespeist und die Vergasung bei einem erhöhten Druck, z.B. über 30 bar, durchgeführt. Das entstandene Rohgas wird gekühlt, wobei Dampf erzeugt werden kann, der im Wasser-/Dampfkreislauf- prozeß beispielsweise mittels der Dampfturbine 109 zur Stromerzeugung genutzt werden kann.

Bei der Brenngasreinigung 102 werden dem rohen Brenngas die Brenngasbegleitstoffe NH3, H2S, COS und Staub entzogen, wo¬ bei die unterschiedliche Reinigung je nach zugeführtem Brennstoff vorgesehen sein können. Das gereinigte Brenngas wird, wie weiter oben schon kurz angegeben, in der Brenn¬ gasbefeuchtung 103 mit Wasserdampf aufgesättigt bzw. ange¬ feuchtet, wobei die Brenngasmenge beispielsweise 18,1 kg/s betragen kann. Das Brenngas wird gereinigt bei einem Druck von z.B. 22 bar und einer Temperatur von beispielsweise 240°C der Gasturbinenanlage 100 zugeführt. Die eine der möglichen Zusammensetzungen ergibt sich aus der Tabelle am Ende der Beschreibung.

Durch die Verbrennung des Brenngases 2 in der Brennkammer 104 der Gasturbinenanlage 100 entstehen bei diesem Beispiel 199,8 kg/s heiße Druckgase 3, die der Gasturbine 105 zuge¬ führt werden. Dabei tritt das heiße Druckgas 3 aus der Brennkammer 104 mit einer Temperatur von 1.190°C mit einem Druck von 18 bar in die Gasturbine 105 ein.

Durch die Gasturbine 105 wird eine Wellenleistung von 154 MW erzeugt, davon werden bei dem hier beschriebenen Bei¬ spiel 81 MW an den Kompressor 107 abgegeben, aus dem Rest werden 71 MW elektrischer Strom generiert. Das von der Gas¬ turbine 105 an den Abhitzekessel 106 weitergeleitete Rauch¬ gas 15 besitzt in Folge der vorangegangenen Entspannung auf

Umgebungsdruck noch eine Temperatur von 573 ^β C, die zur Er¬ zeugung von die Dampfturbine 109 beaufschlagenden Dampf (Pfeil 14) herangezogen wird.

Zur Versorgung der Brennkammer 104 werden 148,1 kg/s Luft aus der Umgebung mit 38,9 kg/s Stickstoff 6 aus der Luft¬ zerlegung 200 zusammengeführt und zu einer Mischluftmenge von 187,0 kg/s zusammengefaßt.

Diese Mischluft 11 wird in dem Kompressor 107 auf dem Brennkeumnerdruck von 18 bar gebracht, wobei zu Regelzwecken dem komprimierten Mischluftstrom eine Überschußluftmenge 13 von bis zu 5,3 kg/s entnommen werden kann. Die Mischluft 12 tritt mit 420°C in die Brennkammer ein. Die Zusammensetzung der Mischluft 11 ist ebenfalls in der nachfolgenden Tabelle angegeben.

Dadurch, daß erfindungsgemäß ein solcher Mischluftstrom er¬ zeugt wird, lassen sich bei dem hier vorgestellten Beispiel 13 MW Verdichterarbeit einsparen, die eine de entsprechende Mehrproduktion an elektrischem Strom ermöglichen.

Tabelle 1:

Table 1