CH704349B1 - Energieerzeugungssystem - Google Patents

Abstract

Ein Energieerzeugungssystem (10) umfasst ein Gasturbinensystem (15). Das Gasturbinensystem (15) umfasst eine Brennkammer (20), die dafür gestaltet ist, einen Brennstoffstrom (13) zu verbrennen, einen Verdichter (16), der dafür gestaltet ist, einen Oxidationsmittelzufuhrstrom (14) aufzunehmen und der Brennkammer (20) ein verdichtetes Oxidationsmittel (18) zuzuführen, und einen Expander (24), der dafür gestaltet ist, einen Ausstoss (22) von der Brennkammer (20) aufzunehmen und ein Abgas (30) zu erzeugen, das Kohlendioxid umfasst. Das System (10) umfasst ferner ein nachrüstbares Abgasrückführungssystem (54) mit einem Teiler (32), der dafür gestaltet ist, das Abgas (30) in einen ersten Teilstrom (34) und einen zweiten Teilstrom (36) zu teilen, mit einem Abhitzedampferzeuger (38), der dafür gestaltet ist, den ersten Teilstrom (34) aufzunehmen und einen gekühlten ersten Teilstrom (40) zu erzeugen, und mit einem Reinigungssystem (50), das dafür gestaltet ist, den gekühlten ersten Teilstrom (40) und den zweiten Teilstrom (36) aufzunehmen und einen Rückführstrom (52) zu erzeugen, wobei der Rückführstrom (52) mit frischem Oxidationsmittel (12) gemischt wird, um den Oxidationsmittelzufuhrstrom (14) zu erzeugen.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft allgemein ein Energieerzeugungssystem. Es wird die effiziente Rückgewinnung von Kohlendioxid beschrieben. Insbesondere wird die Einbindung von Gasturbinen-Abgasrückführung mit verminderter NOx-Emission beschrieben.

[0002] Energieerzeugungssysteme, die kohlenstoffhaltige Brennstoffe (z.B. fossile Brennstoffe) verbrennen, erzeugen als Nebenprodukt Kohlendioxid (CO2), da bei der Verbrennung Kohlenstoff in CO2 umgewandelt wird. Üblicherweise wird Luft als Oxidationsmittel für die NOx-bildende Brennstoffverbrennung verwendet. Die Entfernung oder Rückgewinnung des Kohlendioxids (CO2) aus Energieerzeugungssystemen, wie etwa aus dem Abgas einer Gasturbine, ist wegen des geringen CO2-Gehaltes und des geringen (Umgebungs-)Drucks des Abgases im Allgemeinen nicht wirtschaftlich. Deshalb wird das CO2-haltige Abgas leider üblicherweise in die Atmosphäre abgelassen und nicht in Meeren, Bergwerken, Ölquellen, geologischen Salzlagerstätten und so weiter gelagert. Es besteht ein Bedarf an einer Technik, die eine wirtschaftliche Rückgewinnung von CO2 bereitstellt, das von Energieerzeugungssystemen (z.B. Gasturbinen) ausgestossen wird, welche auf kohlenstoffhaltigen Brennstoffen basieren, und die ausserdem die NOx-Bildung vermindert.

Kurzdarstellung

[0003] In einem Aspekt umfasst ein Energieerzeugungssystem ein Gasturbinensystem. Das Gasturbinensystem umfasst eine Brennkammer, die dafür gestaltet ist, einen Brennstoffstrom zu verbrennen, einen Verdichter, der dafür gestaltet ist, einen Oxidationsmittelzufuhrstrom aufzunehmen und der Brennkammer ein verdichtetes Oxidationsmittel zuzuführen, und einen Expander, der dafür gestaltet ist, einen Ausstoss von der Brennkammer aufzunehmen und ein Abgas zu erzeugen, das Kohlendioxid umfasst. Das System umfasst ferner ein nachrüstbares Abgasrückführungssystem mit einem Teiler, der dafür gestaltet ist, das Abgas in einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom zu teilen, mit einem Abhitzedampferzeuger, der dafür gestaltet ist, den ersten Teilstrom aufzunehmen und einen gekühlten ersten Teilstrom zu erzeugen, und mit einem Reinigungssystem, das dafür gestaltet ist, den gekühlten ersten Teilstrom und den zweiten Teilstrom aufzunehmen und einen Rückführstrom zu erzeugen, wobei der Rückführstrom mit frischem Oxidationsmittel gemischt wird, um den Oxidationsmittelzufuhrstrom zu erzeugen.

Zeichnungen

[0004] Dieses und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung besser verständlich, die mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist, in denen konsequent gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen. Es zeigen: <tb>Fig. 1<sep>ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften integrierten Abgasrückführungssystems mit Energieerzeugungssystem gemäss den Ausführungsformen der vorliegenden Technik, <tb>Fig. 2<sep>ein Ablaufdiagramm eines weiteren beispielhaften integrierten Abgasrückführungssystems mit Energieerzeugungssystem gemäss den Ausführungsformen der vorliegenden Technik, <tb>Fig. 3<sep>ein Ablaufdiagramm noch eines weiteren beispielhaften integrierten Abgasrückführungssystems mit Energieerzeugungssystem gemäss den Ausführungsformen der vorliegenden Technik, <tb>Fig. 4<sep>ein Ablaufdiagramm noch eines weiteren beispielhaften integrierten Abgasrückführungssystems mit Energieerzeugungssystem gemäss den Ausführungsformen der vorliegenden Technik; <tb>Fig. 5<sep>ein Ablaufdiagramm noch eines weiteren beispielhaften integrierten Abgasrückführungssystems mit Energieerzeugungssystem gemäss den Ausführungsformen der vorliegenden Technik, <tb>Fig. 6<sep>einen Verlauf der NOx-Bildung bei verschiedenen Sauerstoffmengen im Turbinenarbeitsfluid, <tb>Fig. 7<sep>einen Verlauf der NOx-Bildung bei verschiedenen Abgasrückführraten (EGR-Raten) und <tb>Fig. 8<sep>den Verlauf der CO2-Konzentration bei verschiedenen EGR-Raten.

Detaillierte Beschreibung

[0005] Die vorliegende Technik stellt eine oder mehrere Gasturbinensysteme bereit, die in einem Energieerzeugungssystem arbeiten, um bei geringen NOx- und CO2-Emissionen Energie zu erzeugen. Eine Teilmenge des Abgases der Gasturbine wird in den Einlass der Turbine zurückgeführt, wobei die Abgasteilmenge mit einem frischen Oxidationsmittel wie etwa Luft vermischt wird, bevor das Gas in die Brennkammer des Turbinensystems eingeführt wird. Im Ergebnis weist das vermischte Oxidationsmittel, das zur Verbrennung verwendet wird, im Vergleich mit einem herkömmlichen Oxidationsmittel einen geringeren Sauerstoffgehalt auf, was zu einer geringen NOx-Emission im Ausstoss von der Brennkammer führt. Ausserdem wird das im Verbrennungsprozess erzeugte Kohlendioxid konzentriert, da eine Teilmenge des Abgases in das Turbinensystem zurückgeführt wird, wobei die Rückführung den CO2-Abscheidungsprozess prozessabwärts fördert. Die vorliegende Technik stellt ausserdem einen Reinigungsprozess bereit, um das Abgas zu reinigen, bevor es in das Turbinensystem zurückgeführt wird. Dieser Reinigungsprozess stellt sauberes Abgas bereit, das in das Turbinensystem zurückzuführen ist, wodurch Beschädigungen der inneren Komponenten des Turbinensystems verhindert werden.

[0006] In Fig. 1 ist nun ein beispielhaftes Energieerzeugungssystem 10 mit einem Gasturbinensystem 15 dargestellt. Das Gasturbinensystem 15 umfasst eine Brennkammer 20, die dafür gestaltet ist, einen Brennstoffstrom 13 zu verbrennen, und einen Verdichter 16, der dafür gestaltet ist, einen Oxidationsmittelzufuhrstrom 14 aufzunehmen und der Brennkammer 20 ein verdichtetes Oxidationsmittel 18 zuzuführen. Das Gasturbinensystem 15 umfasst ferner einen Expander 24, der dafür gestaltet ist, einen Ausstoss 22 von der Brennkammer 20 aufzunehmen und ein Abgas 30, das Kohlendioxid umfasst, und mit Hilfe eines Generators 28 elektrische Energie zu erzeugen. Der Verdichter 16 und der Expander 24 sind üblicherweise durch eine gemeinsame Welle 26 verbunden. Das Energieerzeugungssystem 10 umfasst ferner ein nachrüstbares Abgasrückführungssystem 54, das einen Teiler 32 umfasst, der dafür gestaltet ist, das Abgas 30 in einen ersten Teilstrom 34 und einen zweiten Teilstrom 36 zu teilen. Das Abgasrückführungssystem 54 umfasst ausserdem einen Abhitzedampferzeuger (AHDE bzw. Heat Recovery Steam Generator, HRSG) 38 (welcher Teil eines Kombikraftwerks, nicht dargestellt, ist), der dafür gestaltet ist, den ersten Teilstrom 34 aufzunehmen und einen gekühlten ersten Teilstrom 40 zu erzeugen. Ein Reinigungssystem 50 ist dafür gestaltet, den gekühlten ersten Teilstrom 40 und den zweiten Teilstrom 36 aufzunehmen und einen Rückführstrom 52 zu erzeugen. Im Betrieb wird der Rückführstrom 52 mit frischem Oxidationsmittel 12 gemischt, um den Oxidationsmittelzufuhrstrom 14 zu erzeugen.

[0007] Es versteht sich, dass das verdichtete Oxidationsmittel 18 vom Verdichter 16 jedes beliebige geeignete Gas umfassen kann, das Sauerstoff enthält, wie zum Beispiel Luft, sauerstoffreiche Luft und sauerstoffarme Luft. Der Verbrennungsprozess in der Brennkammer 20 erzeugt den Ausstossstrom 22.

[0008] Wie dargestellt, kann der Ausstossstrom 22 aus der Brennkammer 20 in den Expander 24 eingeführt werden. Wie angegeben, weist das Energieerzeugungssystem 10 einen Generator 28 auf, der am Gasturbinensystem 15 angebracht ist. Die thermodynamische Expansion des heissen Ausstossstroms 22, der dem Expander 24 zugeführt wird, erzeugt Energie, um das Gasturbinensystem 15 anzutreiben, das wiederum über den Generator 28 Elektrizität erzeugt. In dieser Ausführungsform kann die vom Generator 28 erzeugte Elektrizität in eine geeignete Form umgewandelt und in ein Stromversorgungsverteilernetzwerk (nicht dargestellt) eingespeist werden. Das expandierte Abgas 30 vom Expander 24 kann dem Teiler 32 zugeführt werden. In einer Ausführungsform ist der Teiler 32 ein Coanda-Ejektor, der die Teilung des Abgasstroms in den ersten und den zweiten Teilstrom fördert. Der AHDE 38 wird verwendet, um dem ersten Teilstrom 34 den Wärmegehalt zu entziehen, um Dampf zu erzeugen. Die Temperatur des Abgasstroms 30 beträgt etwa 371 °C bis 593 °C entsprechend 700 °F bis etwa 1100 °F, und der gekühlte erste Teilstrom 40 hat eine Temperatur von etwa 16 °C bis 93 °C, entsprechend 60 °F bis etwa 200 °F.

[0009] In einer Ausführungsform weist das Abgasrückführungssystem 54 ferner ein erstes Steuerventil 42 auf, das dafür gestaltet ist, eine Teilmenge des gekühlten ersten Abgases 44 abzulassen. In einer Ausführungsform wird der Strom 44 in die Atmosphäre abgelassen, und in einer weiteren Ausführungsform wird der Strom 44 zu einer CO2-Abscheideeinheit befördert, um das CO2 abzuscheiden, bevor der Strom in die Atmosphäre abgelassen wird. Die verbleibende Teilmenge des gekühlten ersten Teilstroms 40 wird mit dem zweiten Teilstrom 36 gemischt, um einen gemischten Abgasstrom 48 zu erzeugen, und der gemischte Abgasstrom 48 wird zur Reinigungseinheit 50 befördert. Die Reinigungseinheit 50 ist dafür gestaltet, Verunreinigungen wie Feuchtigkeit, Partikel und Säuregase aus dem gemischten Abgasstrom 48 zu entfernen, bevor er als Rückführstrom 52 zum Einlass des Verdichters 16 zurückgeführt wird. Unreinheiten und Feuchtigkeitsgehalt in einem Abgas verhindern die Verwendung eines einfachen Rückführkreislaufes, um die CO2-Konzentration zu erreichen. Die direkte Rückführung einer Teilmenge des Abgases von einem Turbinensystem kann aufgrund des Vorhandenseins bestimmter Unreinheiten wie Partikel und Säuregase in einem Abgasstrom zum Turbinenausfall und einem beschleunigten Verschleiss innerer Komponenten führen. Deshalb fördert das Vorhandensein der Reinigungseinheit 50 die Entfernung von Verunreinigungen wie Wasserdampf, Säuregasen, Aldehyden und Kohlenwasserstoffen und vermindert die Möglichkeit einer beschleunigten Korrosion und Verschmutzung der inneren Komponenten des Gasturbinensystems 15. Wie in Fig. 1dargestellt, wird der Rückführstrom 52 mit frischem Oxidationsmittel 12 gemischt, um das zugeführte Oxidationsmittel 14 für den Verdichter 16 zu erzeugen. Dieser Rückführvorgang erhöht allgemein die CO2-Konzentration im verdichteten Oxidationsmittelstrom 18 und demzufolge im Abgas 30.

[0010] Der Brennstoffstrom 13 kann jedes geeignete Kohlenwasserstoffgas oder jede geeignete Kohlenwasserstoffflüssigkeit wie Erdgas, Methan, Naphtha, Butan, Propan, Synthesegas, Diesel, Kerosin, Flugzeugtreibstoff, auf Kohle basierender Brennstoff, Bio-Kraftstoff, mit Sauerstoff angereicherter Kohlenwasserstoff-Ausgangsbrennstoff und Mischungen daraus und dergleichen umfassen. In einer Ausführungsform ist der Brennstoff hauptsächlich Erdgas, und deshalb kann der Ausstossstrom 22 aus der Brennkammer 20 Wasser, Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Stickstoff (N2), Stickoxide (NOx), unverbrannten Brennstoff und weitere Verbindungen enthalten.

[0011] Das Abgasrückführungssystem 54 kann als nachrüstbare Einheit zum Nachrüsten jeder beliebigen vorhandenen Gasturbine verwendet werden, um höhere CO2-Konzentrationen im Arbeitsfluid im Turbinensystem und ausserdem geringere NOx-Emissionen zu erreichen. Eine geringere NOx-Emission aus der Brennkammer 20 wird aufgrund der Verringerung des Sauerstoffgehalts im verdichteten Oxidationsmittel 18 erreicht, da Frischluft 12 mit dem Rückführstrom 52 vermischt wird, der verminderte Sauerstoffmengen umfasst. In einigen Ausführungsformen beträgt die Sauerstoffmenge im verdichteten Oxidationsmittelstrom 18 nur etwa 13 Vol.-% bis etwa 15 Vol.-% und die Sauerstoffmenge im Ausstoss 22 der Brennkammer 20 kann weniger als 2 Vol.-% betragen. Diese geringere Sauerstoffmenge führt zur Erzeugung von NOx-Mengen unter 10 ppm und von CO2-Mengen von bis zu 10 Vol.-% im Ausstoss 22 der Brennkammer 20.

[0012] Die Abgasrückführung (EGR) wird in der vorliegenden Technik wirksam verwendet, um die CO2-Menge im Abgas zu verringern und gleichzeitig NOx zu vermindern. Eine NOx-Behandlung in einem beliebigen Verbrennungsprozess wird üblicherweise durch selektive katalytische Reduktion erreicht und/oder unter Verwendung eines vorgemischten Verbrennungsprozesses. Die vorliegenden Techniken stellen geringfügige Modifikationen zu den Gasturbinen bereit, die ein EGR-System umfassen, das als Nachrüstung und geringfügige Modifikation der Brenndüsen an bestehenden Systemen angebracht werden kann, um einen flexibleren Betrieb zum Erreichen einer geringeren NOx-Bildung und einer höheren CO2-Menge im Abgas zu ermöglichen. In einer Ausführungsform wird, wie bereits dargelegt, die Teilmenge des gekühlten Abgases 44 zur CO2-Abscheideeinheit (nicht dargestellt) geleitet. Es kann jede beliebige CO2-Abscheidetechnologie eingebunden werden (zum Beispiel Aminbehandlung, PSA, eine Membran usw.). Nach dem Abscheiden kann der CO2-reiche Strom zu einem CO2-Aufbereitungssystem geleitet werden, das ein CO2-Verdichtungs-System umfasst. Die Erhöhung der CO2-Konzentration im Abgasstrom vom Turbinensystem fördert die Effizienz des CO2-Abscheideprozesses.

[0013] Fig. 2 stellt ein weiteres beispielhaftes Energieerzeugungssystem 60 unter Verwendung eines Abgasrückführungssystems 54 dar. Das in Fig. 2 gezeigte Reinigungssystem 50 umfasst einen Wasserkühler 62 und einen Tropfenabscheider 72. Im Betrieb wird zerstäubtes Wasser 64 in den Wasserkühler 62 eingeführt. In einigen Ausführungsformen ist zusammen mit dem Wasserkühler 62 ein Kühlaggregat oder ein Wärmetauscher (nicht dargestellt) bereitgestellt, um die Temperatur des gemischten Abgasstroms 48 auf etwa 16 °C bis 49 °C, entsprechend 60 °F bis etwa 120 °F, abzukühlen. Das zerstäubte Wasser bewirkt in Verbindung mit dem Temperaturabfall, dass die kondensierbaren Stoffe im gemischten Strom 48 in den Kühlwasser-Rückführkreislauf 62 eintreten. Eine Teilmenge des Wassers 66 wird aus dem Kühlwasser-Rückführkreislauf 62 entfernt und durch frisches Wasser 68 ersetzt. Der Austrittsstrom 70 aus der Kühlung 62 wird dem Tropfenabscheider 72 zugeführt, der die verbliebenen Tröpfchen aus dem Austrittsstrom entfernt und den Rückführstrom 52 erzeugt, der zum Einlass des Verdichters 16 zurückzuführen ist. In einer Ausführungsform wird der Rückführstrom 52 in einer Mischkammer 74 mit frischem Oxidationsmittel 12 wie etwa Luft gemischt, um das zugeführte Oxidationsmittel 14 für den Verdichter 16 zu erzeugen.

[0014] Fig. 3 stellt noch ein weiteres Energieerzeugungssystem 80 dar, wobei die Reinigungseinheit 50 eine Kühleinheit 62, einen Wärmetauscher 82 und einen Tropfenabscheider 72 aufweist. Im Betrieb vermindert das zerstäubte Wasser 64 in der Kühleinheit die Temperatur des gemischten Abgases 48 auf den Sättigungspunkt. Der Austrittsstrom 84, der den Wärmetauscher 82 verlässt, wird zum Tropfenabscheider 72 befördert, bevor er als Rückführstrom 52 zum Verdichter 16 befördert wird.

[0015] Fig. 4 stellt noch ein weiteres Energieerzeugungssystem 100 dar, bei dem die Reinigungseinheit 50 eine Kühleinheit 62, einen Wärmetauscher 82 und einen Nassverfahren-Rauchgasfilter (Wet-ESP) 102 und einen Tropfenabscheider 72 umfasst. Im Betrieb umfasst das zerstäubte Wasser 64 in der Kühleinheit 62 Adsorptionsmaterial, um jedweden unerwünschten Spezies im gemischten Abgas 48 zu adsorbieren. Dieser Adsorptionsprozess in der Kühleinheit 62 kann dem Austrittsstrom 70, der die Kühleinheit 62 verlässt, Partikel zuführen. Der Wet-ESP 102 ist dafür gestaltet, die Partikel aus dem Strom 70 zu entfernen. Der Austrittsstrom 84, der den Wärmetauscher 82 verlässt, wird zum Wet-ESP 102 befördert, bevor er zum Tropfenabscheider 72 befördert wird. Der Austrittsstrom vom Tropfenabscheider 72 ist der Rückführstrom 52, der zum Verdichter 16 zurückgeführt wird. Die Materialien, die der Kühleinheit zugesetzt werden, um unerwünschte Spezies zu adsorbieren, hängen von den Merkmalen des im Turbinensystem 15 verbrannten Brennstoffs und vom erforderlichen Mass der Reinigung ab.

[0016] Fig. 5 stellt noch ein weiteres Energieerzeugungssystem 100 dar. Das Energieerzeugungssystem 120 umfasst ein Gebläse 122, das bereitgestellt ist, um den Druck des gekühlten ersten Teilstroms 46 zu erhöhen, bevor er mit dem zweiten Teilstrom 36 gemischt wird. Wie in Fig. 5 gezeigt, wird der Austrittsstrom von der Reinigungseinheit 50 zu einem zweiten Steuerventil 130 befördert, um eine Teilmenge 132 an einen Notfallblock hin abzulassen. Im Betrieb stellt die Verfügbarkeit eines zweiten Steuerventils 130 im Abgasrückführungssystem 54 einen weiteren Grad an Flexibilität bei der Steuerung der optimalen Leistung des gesamten Energieerzeugungssystems 120 bereit. In Situationen, in denen die Reinigungseinheit 50 oder eine andere Einheit im Abgasrückführungssystem 54 versagt, kann das zweite Steuerventil 130 den gesamten oder einen Grossteil des Austrittsstroms 128 aus der Reinigungseinheit 50 ablassen und somit die Beschädigung der inneren Komponenten des Gasturbinensystems 15 verhindern. In einigen Ausführungsformen werden durch Verwendung des ersten und des zweiten Steuerventils 42 und 130 bis zu 50% des Abgases 30 als Rückführstrom 52 in den Verdichter 16 zurückgeführt.

[0017] Das in Fig. 1 bis 5 dargestellte Abgasrückführungssystem verwendet ein integriertes Steuersystem. Das Steuersystem integriert den Betrieb jeder Einheit solcherart in das Abgasrückführungssystem, dass eine optimale Leistung des Energieerzeugungssystems erreicht wird. In einer Ausführungsform kann das Steuersystem mit einem kontinuierlichen Überwachungssystem (in den Figuren nicht dargestellt) betrieben werden, das am Einlass der Brennkammer 74 installiert ist. Das kontinuierliche Überwachungssystem misst die Bestandteile im Rückführstrom 52 und stellt eine Rückmeldung an das Steuersystem bereit. Basierend auf dieser Rückmeldung kann das Steuersystem die Parameter justieren, einschliesslich insbesondere der Kühlrückführungsrate, der Sorptionsmitteleinspritzrate in der Kühleinheit und die Gastemperaturen an verschiedenen Orten im Abgasrückführungssystem 54. Das Steuersystem kann auch die Betriebsparameter des Gasturbinensystems 15 und Umgebungsbedingungen in die Gesamtlogik integrieren. Das Steuersystem kann die Gastemperatur an Schlüsselstellen des Energieerzeugungssystems optimieren, um die wirkungsvollste Kühlung sicherzustellen.

[0018] Fig. 6 zeigt die NOx-Menge im Abgas 30 als eine Funktion der Flammentemperatur in der Brennkammer 20 bei verschiedenen, im verdichteten Oxidationsmittel 18 vorhandenen Sauerstoffmengen. Die NOx-Bildung bei 21% Sauerstoff (durch die Punkte 150 und 152 dargestellt) liegt im Bereich von 20–60 ppm, während die Flammentemperatur von 1316 °C auf 1760 °C (2400 °F auf 3200 °F) steigt. Im Gegensatz dazu liegt die NOx-Bildung bei 16,8% Sauerstoff (durch die Punkte 154, 156 und 158 dargestellt) im Bereich von 2–14 ppm, während die Flammentemperatur von 1316 °C auf 1760 °C (2400 °F auf 3200 °F) steigt. Die Ergebnisse zeigen deutlich einen Rückgang der NOx-Bildung bei der Verwendung eines Oxidationsmittels, das einen geringeren Sauerstoffgehalt aufweist, wobei der Rückgang das Ergebnis der Verwendung des oben beschriebenen Abgasrückführungssystems ist.

[0019] Fig. 7 zeigt die Verläufe der NOx-Bildung mit zunehmender Abgasrückführung (EGR). Die Flammentemperaturen in der Brennkammer 20 steigen von 1427 °C, entsprechend 2600 °F, (dargestellt durch die Kurve 202) auf 1704 °C, entsprechend 3100 °F, (dargestellt durch die Kurve 192). Zwischen diesen stellen die Kurven 194, 196, 198 und 200 die Flammentemperaturen von 1649 °C (3000 °F), 1593 °C (2900 °F), 1538 °C (2800 °F) beziehungsweise 1482 °C (2700 °F) dar. Die Sauerstoffkonzentration im Ausstoss 22 der Brennkammer nimmt in dem Mass zu, wie die Abgasrückführung entlang der Kurven 180, 182, 184, 186, 188 und 190 abnimmt. Aus Fig. 7 wird ersichtlich, dass sich bei einer festen Flammentemperatur (zum Beispiel Kurve 192, die 1704 °C, entsprechend 3100 °F darstellt) die NOx-Bildung in dem Mass vermindert, wie die EGR steigt (wie durch den Pfeil 204 dargestellt). Eine ähnliche Beobachtung ist in den Kurven 194, 196, 198, 200 und 202 dargestellt.

[0020] Fig. 8 zeigt die Verläufe der Kohlendioxidkonzentration (in der Achse 222 eingezeichnet) mit variierender Flammentemperatur (in der Achse 220 eingezeichnet) und EGR. In dem Mass, wie die EGR entlang des Pfeils 228 von 0% (dargestellt durch die Linie 224) auf 40% (dargestellt durch die Linie 226) ansteigt, nimmt die CO2-Konzentration zu, da grössere Abgasteilmengen als Rückführstrom 52 zum Einlass des Verdichters zurückgeführt werden.

[0021] Das hierin beschriebene Energieerzeugungssystem umfasst eine nachrüstbare Abgasrückführungseinheit, die als eine Nachrüstung für Turbinen umgesetzt sein kann, die sowohl geringere NOx-Bildungsmengen einhalten müssen als auch eine effektivere CO2-Abscheidung ermöglichen müssen, wenn eine CO2-Abscheidung erforderlich ist. Die nachrüstbare Lösung ist eine Möglichkeit zur Energieerzeugung mit Abgas, das CO2-mager ist und eine geringere NOx-Menge aufweist, als sie üblicherweise im Verbrennungsprozess beobachtet wird. Die höhere Konzentration von CO2 im Ausstoss der Brennkammer hat unter Umständen einen wesentlichen Einfluss auf die Kosten der CO2-Abscheidung vor dem Ablassen des Abgases in die Atmosphäre und spart somit bis zu 35% der Kosten der Ausrüstung. Diese Technik ermöglicht es der Gasturbine, mit Sauerstoffmengen von weniger als 13% im Brennkammereinlass und Sauerstoffauslassmengen von weniger als etwa 2% normal zu arbeiten, während NOx auf Mengen von weniger als 10 ppm gesenkt wird. In einigen Ausführungsformen kann die NOx-Menge ohne die Verwendung eines selektiven katalytischen Reduktionsprozesses weniger als 5 ppm betragen. Die Reinigungseinheit, die in allen hierein beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt ist, stellt einen sauberen Abgasrückführungsstrom bereit, wobei der Reinigungsprozess durch Entfernen von unerwünschten Spezies wie etwa Partikeln, Feuchtigkeit, Aldehyden und Säuregasen Beschädigungen der inneren Komponenten des Turbinensystems verhindert. Deshalb ist das Turbinensystem betriebssicherer. Die Verwendung von zwei Steuerventilen, um das Ablassen des Abgases zu steuern, bringt zusätzliche Flexibilität beim Erreichen einer optimalen Leistung des Energieerzeugungssystems und stellt ausserdem ein Steuersystem bereit, um im Falle des Ausfalls des Reinigungssystems jedwede Beschädigung der inneren Komponenten des Turbinensystems zu verhindern.

[0022] Obwohl hierin nur bestimmte Merkmale der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, werden sich dem Fachmann viele Modifikationen und Veränderungen erschliessen.

Claims (7)

1. Energieerzeugungssystem (10), Folgendes umfassend: ein Gasturbinensystem (15), Folgendes umfassend: eine Brennkammer (20), die dafür gestaltet ist, einen Brennstoffstrom (13) zu verbrennen, einen Verdichter (16), der dafür gestaltet ist, einen Oxidationsmittelzufuhrstrom (14) aufzunehmen und der Brennkammer (20) ein verdichtetes Oxidationsmittel (18) zuzuführen, und einen Expander (24), der dafür gestaltet ist, einen Ausstoss (22) von der Brennkammer (20) aufzunehmen und ein Abgas (30) zu erzeugen, das Kohlendioxid umfasst, und ein nachrüstbares Abgasrückführungssystem (54), Folgendes umfassend: einen Teiler (32), der dafür gestaltet ist, das Abgas (30) in einen ersten Teilstrom (34) und einen zweiten Teilstrom (36) zu teilen, einen Abhitzedampferzeuger (38), der dafür gestaltet ist, den ersten Teilstrom (34) aufzunehmen und einen gekühlten ersten Teilstrom (40) zu erzeugen, und ein Reinigungssystem (50), das dafür gestaltet ist, den gekühlten ersten Teilstrom (40) und den zweiten Teilstrom (36) aufzunehmen und einen Rückführstrom (52) zu erzeugen, wobei der Rückführ-Strom (52) mit frischem Oxidationsmittel (12) gemischt wird, um den Oxidationsmittelzufuhrstrom (14) zu erzeugen.

2. System (10) nach Anspruch 1, ferner ein Gebläse (122) umfassend, um den Druck des gekühlten ersten Teilstroms (40) zu erhöhen.

3. System (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Reinigungssystem (50) eine Wasserkühlungseinheit (62), einen Tropfenabscheider (72) und einen Wärmetauscher (82) umfasst.

4. System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner ein erstes Steuerventil (42) und ein zweites Steuerventil (130) umfassend, wobei das erste Steuerventil (42) dafür gestaltet ist, eine Teilmenge des gekühlten ersten Abgases (44) abzulassen und das zweite Steuerventil (130) dafür gestaltet ist, eine Teilmenge des Rückführstroms (132) abzulassen.

5. System (10) nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei der Wärmetauscher (82) aus der Liste ausgewählt ist, die aus einem Trockner, einem Kondensator, einem Kühler, einem Adsorptionskühler oder einer Kombination daraus besteht.

6. System (10) nach Anspruch 4, wobei bis zu 50% des Abgases (30) über das erste Steuerventil (42) und das zweite Steuerventil (130) zum Verdichter (16) zurückgeführt sind.

7. System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Teiler (32) einen Coanda-Ejektor umfasst.