DE102007019178A1

DE102007019178A1 - Verfahren zur Konzentration von Kohlendioxid, das in Rauchgasen vorhanden ist, die von einer Anlage zur Energieerzeugung abgegeben werden

Info

Publication number: DE102007019178A1
Application number: DE102007019178A
Authority: DE
Inventors: Ari Minkkinen; Etienne Lebas
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2007-11-08
Also published as: FR2900061B1; NO20072073L; FR2900061A1; ITMI20070813A1; JP2007309315A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konzentration von Kohlendioxid (CO2), das in den Rauchgasen vorhanden ist, die von einer Anlage zur Energieerzeugung abgegeben werden, die mehrere Gasturbinen mit einer Eingangsgasturbine (101) und mindestens einer zusätzlichen Gasturbine (102, 103) umfasst, wobei die Turbinen eine Mischung aus einem Sauerstoffträger und einem Brennstoff verbrennen, ein Verfahren, bei dem die folgenden Schritte durchgeführt werden: - Verdichten eines Sauerstoffträgers in Form von Luft in der Eingangsturbine (101), - Gewährleisten einer Verbrennung dieser Luft und des Brennstoffs in dieser Eingangsgasturbine, - Ableiten aus dieser Gasturbine der Rauchgase, die von der Verbrennung produziert werden. Gemäß der Erfindung besteht das Verfahren darin, mindestens eine der zusätzlichen Gasturbinen (102, 103) mit den Rauchgasen als Sauerstoffträger zu versorgen, die von der Eingangsgasturbine erzeugt werden, um am Ausgang dieser zusätzlichen Gasturbine Rauchgase mit einem geringen Sauerstoffanteil und einer hohen CO2-Konzentration zu erhalten.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Konzentration von Kohlendioxid (CO₂), das in den Rauchgasen vorhanden ist, die von einer Anlage zur Energieerzeugung abgegeben werden, die mehrere Gasturbinen umfasst.
Sie richtet sich insbesondere auf den Bereich des Einfangens des Kohlendioxids (CO₂), das von diesen Gasturbinen emittiert wird.
Die Verwendung einer Anlage mit mehreren Gasturbinen zur Energieerzeugung ist bereits bekannt. Diese Gasturbinen umfassen üblicherweise einen Verdichter für einen Sauerstoffträger, eine Verbrennungskammer und eine Entspannungsturbine. Diese Gasturbinen ermöglichen die gleichzeitige Erzeugung von heißen Rauchgasen zur Produktion von Dampf durch das Durchleiten durch einen Dampfgenerator und einer mechanischen Arbeit, um eine beliebige Vorrichtung, vor allem einen Stromgenerator, anzutreiben. Die Dampfmengen, die von jedem Generator produziert werden, werden kombiniert, um einen einzigen Dampfstrom zu produzieren, der dann in die Dampfturbine mit großer Kapazität geschickt wird, die ihrerseits, durch mechanische Wirkung, einen Hochleistungsgenerator antreibt. Die von jedem Generator produzierte Elektrizität wird entweder in Kombination untereinander, oder unabhängig voneinander verwendet.
Im Allgemeinen wird der Verdichter jeder Gasturbine mit Umgebungsluft versorgt, die dann in verdichtetem Zustand in die Verbrennungskammer geschickt wird. Diese Kammer nimmt auch einen Brennstoff in Form von Erdgas auf, um eine Brennstoffluftmischung zu bilden, die dann einer Verbrennung unterzogen wird.
In dieser Konfiguration muss die Umgebungsluft, die in den Verdichter eingeführt wird, dort unbedingt in großer Menge eingeführt werden, um nicht nur die Verbrennung in der Verbrennungskammer, sondern auch die Abkühlung der verschiedenen Elemente des Verdichters, wie etwa der Schaufeln, zu gewährleisten. Aus diesem Grund enthalten die Rauchgase, die aus der Verbrennungskammer austreten, eine große Menge an Sauerstoff, das in die Atmosphäre abgegeben wird, ohne verwendet worden zu sein.
Erdgas ist der für die Versorgung der Verbrennungskammern dieser Gasturbinen am häufigsten verwendete Brennstoff, da im Allgemeinen angenommen wird, dass der CO₂-Anteil, der durch die Verbrennung dieses Gases erzeugt wird, geringer ist, als derjenige, der von den anderen Energiequellen der so genannten „fossilen" Brennstoffe, wie etwa Kohle oder flüssige Kohlenwasserstoffe, produziert wird. Außerdem kann ein solcher gasförmiger Brennstoff, in verflüssigter Form, leicht in großer Menge zu allen Betriebsstätten transportiert und dort nach Belieben verwendet werden.
Die Verbrennung der weiter oben erwähnten Brennstoffluftmischung erzeugt heiße Rauchgase, die zur Entspannungsturbine geschickt werden, um sie rotierend anzutreiben und dadurch einen Stromgenerator in Bewegung zu setzen, mit dem sie verbunden ist. Die Rauchgase am Ausgang der Entspannungsturbine werden dann zu einem Austauscher geleitet, der in einem Dampfgenerator enthalten ist, um die Flüssigkeit, die dort zirkuliert, in Dampf umzuwandeln. Sobald der Austausch ausgeführt wurde, werden die Rauchgase, die zuvor abgekühlt werden können, zum Beispiel über einen Kamin, in die Atmosphäre abgeleitet. Der von dem Dampfgenerator produzierte Dampf wird zu einer Dampfturbine geleitet, die mit einem Stromgenerator gekoppelt ist.
Ein solcher Zyklus, besser bekannt unter der englischen Abkürzung GTCC (Gas Turbine Combined Cycle), was als Gasturbine mit kombiniertem Zyklus oder Coerzeugungsturbine zu übersetzen ist, verfügt über den Vorteil, eine Stromausbeute in einer Größenordnung von 60 % aufzuweisen.
Diese bekannte Anlage hat jedoch den großen Nachteil, mit jeder Turbine die Abgabe von Rauchgasen mit geringer Konzentration an Kohlendioxid (CO₂) an die Atmosphäre zu produzieren. Dieses CO₂ ist schädlich für die Umwelt, da es bewiesen ist, dass das CO₂ für den Treibhauseffekt und die globale Erwärmung des Planeten verantwortlich ist, die seit einigen Jahrzehnten beobachtet wird.
Um diesen Nachteilen abzuhelfen, ist es daher unerlässlich, Werkzeuge (Methoden und Vorrichtungen) einzusetzen, die das Einfangen des CO₂ vor dessen Abgabe an die Atmosphäre ermöglichen. Dies ermöglicht, ein ganz klein wenig, den Treibhauseffekt für die kommenden Jahre zu begrenzen.
Auf dem Gebiet der Gasturbinen besteht eine der bekannten Lösungen darin, das CO₂, das in den Rauchgasen der Verbrennung vorhanden ist, einzufangen.
Die verwendeten Methoden und Vorrichtungen zum Einfangen basieren im Allgemeinen auf Kryotechnik, Absorption durch ein chemisches oder physikalisches Mittel, wie etwa einem Adsorptionsmittel auf einem Molekularsieb, oder auch auf der Verwendung von Membranen und insbesondere von Gaspermeationsmembranen.
Beispielsweise, und wie dies in den Patentanmeldungen EP 0 744 987 und WO 00/57 990 besser beschrieben ist, kann ein Verfahren zur Absorption des CO₂ durch ein physikalisches oder chemisches Lösemittel eingesetzt werden. Die beschriebene adsorbierende Lösung umfasst zum Beispiel primäre Amine, wie etwa MEA, DGA und DIPA, sekundäre Amine, wie etwa DEA, tertiäre Amine, wie etwa MDEA.
Es ist jedoch in Anbetracht der hohen Mengen an Rauchgasen, die zu behandeln sind, und der niedrigen Partialdrücke des CO₂ in den Rauchgasen, schwierig, solche Methoden einzusetzen. Außerdem ist eine große Menge an Restsauerstoff in den Rauchgasen bei deren Abgabe vorhanden, und eine solche Gegenwart von Sauerstoff behindert das Einfangen des CO₂ beträchtlich, vor allem im Falle der Verwendung von chemisch reaktiven Lösemitteln, wie den Aminen. Ferner ist es notwendig, eine Vorrichtung zum Einfangen des CO₂ für jede Gasturbine vorzusehen, was die Anlage nur komplizierter macht und deren Kosten beträchtlich erhöht.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, das CO₂, das von diesen Gasturbinen emittiert wird, im Hinblick auf dessen Einfangen zu komprimieren, wobei gleichzeitig die Abgabe dieses CO₂ an die Atmosphäre minimiert wird.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Konzentration von Kohlendioxid (CO₂), das in den Rauchgasen vorhanden ist, die von einer Anlage zur Energieerzeugung abgegeben werden, die mehrere Gasturbinen mit einer Eingangsgasturbine und mindestens einer zusätzlichen Gasturbine umfasst, wobei die Turbinen eine Mischung aus einem Sauerstoffträger und einem Brennstoff verbrennen, einem Verfahren, bei dem die folgenden Schritte durchgeführt werden:

– Verdichten eines Sauerstoffträgers in Form von Luft in der Eingangsgasturbine,
– Gewährleisten einer Verbrennung dieser Luft und des Brennstoffs in dieser Eingangsgasturbine,
– Ableiten aus dieser Gasturbine der Rauchgase, die durch die Verbrennung produziert werden, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, mindestens eine der zusätzlichen Gasturbinen mit den Rauchgasen, als Sauerstoffträger, zu versorgen, die von der Eingangsgasturbine erzeugt werden, um am Ausgang dieser zusätzlichen Gasturbine Rauchgase mit einem geringen Sauerstoffanteil und einer hohen CO₂-Konzentration zu erhalten.

In dem Fall, in dem mindestens zwei zusätzliche Gasturbinen vorgesehen sind, kann das Verfahren darin bestehen, eine der zusätzlichen Gasturbinen mit den Rauchgasen, als Sauerstoffträger, zu versorgen, die von der Eingangsgasturbine erzeugt werden, und die andere der zusätzlichen Gasturbinen mit den Rauchgasen, als Sauerstoffträger, zu versorgen, die von der einen der zusätzlichen Turbinen erzeugt werden.
Das Verfahren kann darin bestehen, die Rauchgase vor ihrem Einströmen in die zusätzlichen Gasturbinen abzukühlen.
Das Verfahren kann darin bestehen, die aus den Gasturbinen austretenden Rauchgase einen Dampfgenerator durchqueren zu lassen.
Das Verfahren kann darin bestehen, eine katalytische Verbrennung der Rauchgase mit einem Brennstoff in einem Dampfgenerator auszuführen, um eine Mehrerzeugung von Dampf auszuführen.
Das Verfahren kann darin bestehen, die Rauchgase, die aus dem Generator austreten, mit den Rauchgasen zu mischen, die in mindestens eine der Gasturbinen eingeführt werden.
Das Verfahren kann darin bestehen, die Rauchgase, die aus dem Generator austreten, mit der Luft zu mischen, die in die Eingangsgasturbine eingeführt wird.
Das Verfahren kann darin bestehen, das CO₂ am Ausgang des Wärmegenerators einzufangen.
Das Verfahren kann darin bestehen, das CO₂ am Ausgang des Verdichters mindestens. einer der zusätzlichen Gasturbinen einzufangen.
In der Konfiguration gemäß der mindestens eine der Gasturbinen einen zweistufigen Verdichter umfasst, kann das Verfahren darin bestehen, das CO₂ am Ausgang der ersten Stufe des Verdichters einzufangen.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Anlage zur Energieerzeugung, die mehrere Gasturbinen mit einer Eingangsgasturbine und mindestens einer zusätzlichen Gasturbine umfasst, wobei die Turbinen eine Mischung aus einem Sauerstoffträger und einem Brennstoff verbrennen, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsgasturbine Mittel zum Einströmen von Luft, als Sauerstoffträger, umfasst, und dadurch, dass mindestens eine der zusätzlichen Gasturbinen Mittel zum Einströmen der Rauchgase, als Sauerstoffträger, umfasst, die aus der Eingangsgasturbine stammen.
Die Anlage kann Mittel zum Abkühlen der Rauchgase umfassen.
Die anderen Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der Lektüre der nachfolgend beispielhaft und nicht beschränkend gegebenen Beschreibung besser verständlich, die sich auf die beigefügten Figuren bezieht, wobei:
1 schematisch eine Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung darstellt;
2 eine erste Variante der Anlage gemäß der Erfindung aus 1 illustriert;
3 eine zweite Variante der Erfindung schematisiert, und
4 eine dritte Variante zeigt.
1 schematisiert eine Gasturbinenanlage, die als Energiegenerator verwendet wird.
Diese Anlage umfasst mindestens zwei Gasturbinen oder Verbrennungsturbinen, hier drei Turbinen 10₁ bis 10₃ , die hintereinander angeordnet sind. Jede Turbine umfasst, auf an sich bekannte Weise, einen Verdichter 12₁ bis 12₃ mit mindestens einer Verdichtungsstufe, eine Verbrennungskammer 14₁ bis 14₃ und eine Entspannungsturbine 16₁ bis 16₃ , die die Energie liefert, die zum Antreiben des Verdichters notwendig ist, und ein Mittel zur Produktion von Elektrizität, wie etwa einen Stromgenerator 18₁ bis 18₃ . In der folgenden Beschreibung und unter Bezugnahme auf 1 von links nach rechts, wird die erste Turbine 10₁ Eingangsgasturbine genannt, die beiden anderen Turbinen werden zusätzliche Gasturbinen genannt, wobei die dritte Turbine 10₃ , die als zusätzliche Endgasturbine bezeichnet wird, und alle anderen Gasturbinen 10₂ , die zwischen diesen zwei Turbinen angeordnet sind, als zusätzliche Zwischengasturbinen identifiziert werden.
Ein Dampfgenerator 20₁ bis 20₃ , oder ein Verdampfer, wird mit jeder Gasturbine assoziiert. In Fall des beschriebenen Beispiels ist der Verdampfer 20₃ , der mit der Gasturbine 10₃ assoziiert ist, ein Mehrerzeuger von Dampf in dem Sinne, dass dieser ein Mittel zum Erhitzen, wie etwa eine katalytische Verbrennungskammer (nicht dargestellt) enthält, die durch einen Brennstoff versorgt wird, der der gleiche sein kann, wie derjenige, der die Verbrennungskammern der Turbinen versorgt. Dies hat als wesentlichen Effekt, die Menge des von diesem Verdampfer produzierten Dampfes zu erhöhen. Selbstverständlich, und ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, können alle oder ein Teil der Verdampfer Mehrerzeuger von Dampf sein. Außerdem wird ein Kälteaustauscher der Rauchgase oder Kühler mit allen oder einem Teil der Verdampfer assoziiert, um die Abkühlung der Rauchgase zu gewährleisten, die aus dem Verdampfer austreten. In dem in der Figur illustrierten Beispiel ist ein Kälteaustauscher 22₁ und 22₂ nur für die Eingangsturbine und die Zwischenturbine vorgesehen, aber es kann ebenfalls ein Kälteaustauscher für die Endturbine vorgesehen werden. Zusätzlich kann es vorgesehen sein, einen Kondensator/Wasserrückgewinner (in der Figur nicht dargestellt) zwischen dem Kühler und der Eingangsentspannungsturbine 12₂ und 12₃ anzuordnen. Dies ermöglicht es, die Gegenwart von Wasser in den Rauchgasen zu vermeiden, bevor diese in die Turbinen eingeführt werden.
Die Anlage umfasst ebenfalls eine Entspannungsturbine 24, die von dem Dampf durchlaufen wird, der aus den Verdampfern kommt, die Dampfturbine genannt wird, und die es ermöglicht, einen Stromgenerator 26 rotierend anzutreiben. Vorteilhafterweise ist die Dampfturbine 24 eine Kondensationsturbine, um die Umwandlung des Dampfes, der sie durchquert, in eine Flüssigkeit zu ermöglichen, um diese Flüssigkeit dann an die Verdampfer zurückzuschicken, um deren Umwandlung in Dampf zu gewährleisten.
Während des Betriebs strömt ein Sauerstoffträger, im Allgemeinen Luft, bei Umgebungsdruck durch den Eingang des Verdichters 12₁ der Gasturbine 10₁ , um dort verdichtet zu werden. Diese verdichtete Luft wird dann über die Leitung 28₁ in die Verbrennungskammer 14₁ zurückgeschickt, wo sie sich mit einem flüssigen oder gasförmigen Brennstoff vermischt, der über eine Leitung 30 eingeführt wird. In dem Beispiel ist der verwendete Brennstoff ein gasförmiger Brennstoff, hier Erdgas. Die so gebildete Mischung wird in dieser Kammer verbraucht und erzeugt heiße Rauchgase, die dann über eine Leitung 32₁ zum Eingang der Entspannungsturbine 16₁ geschickt werden. Diese Rauchgase produzieren eine Rotation dieser Turbine, die ihrerseits den Verdichter 12₁ und den Generator 18₁ rotierend antreibt. Die entspannten heißen Rauchgase, die im Wesentlichen Atmosphärendruck aufweisen, werden dann aus dieser Turbine über eine Leitung 34 zum Eingang des Verdampfers 20₁ abgeleitet. Im Innern dieses Verdampfers erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit, wie etwa Wasser, das dort über eine Leitung 36 eingeführt wird, die an die Kondensationsturbine 24 angeschlossen ist, und den Rauchgasen, die ihn durchqueren. Der so gebildete Dampf kommt aus diesem Verdampfer über eine Leitung 38 heraus, und die Rauchgase kommen mit einer Temperatur heraus, die niedriger ist als die beim Einströmen, über eine Leitung 40, die den Kühler 22₁ trägt. Diese Rauchgase werden auf eine Temperatur nahe der Umgebungstemperatur abgekühlt, durch das Durchleiten durch den Kühler, der mit einem beliebigen Kühlfluid, wie Umgebungsluft, umspült wird, das in der Figur durch Pfeil 42 symbolisiert wird. Diese abgekühlten Rauchgase, die eine nicht unbeträchtliche Menge an Sauerstoff und CO₂ enthalten, werden zum Eingang des Verdichters 12₂ der Zwischengasturbine 10₂ geschickt, wo sie verdichtet werden. Die verdichteten Rauchgase werden über die Leitung 28₂ als Sauerstoffträger in die Verbrennungskammer 14₂ eingeführt, wo sie sich mit dem Erdgas mischen, das über die Leitung 30 eingeführt wird, um die Verbrennung der so erhaltenen Brennstoffluftmischung zu gewährleisten. Diese Verbrennung ermöglicht es, einen großen Teil des Sauerstoffs zu verbrauchen, der in den Rauchgasen vorhanden ist, die in diese Kammer eingeführt werden, und die heißen Rauchgase, die aus der Verbrennung resultieren, enthalten einen höheren CO₂-Anteil als die Rauchgase, die die in die Verbrennungskammer eingeführt werden.
Wie zuvor in Verbindung mit der Eingangsgasturbine 10₁ beschrieben, durchqueren die heißen Rauchgase, die aus der Verbrennungskammer stammen und über die Leitung 32₂ befördert werden, die Entspannungsturbine 16₂ , wobei sie diese rotierend antreiben, welche ihrerseits den Generator 18₂ antreibt. Die entspannten Rauchgase gelangen über die Leitung 44 zum Verdampfer 20₂ , der mit Flüssigkeit versorgt wird, und es ermöglicht, Dampf zu erzeugen, der aus diesem Verdampfer über die Leitung 46 herauskommt. Die abgekühlten Rauchgase, die aus dem Verdampfer 20₂ herauskommen, durchqueren den Kühler 22₂ und gelangen mit einer Temperatur nahe der Umgebungstemperatur über die Leitung 48 zum Eingang des Verdichters 12₃ der Endgasturbine 10₃ . Ab diesem Punkt wiederholt sich der Zyklus der Verdichtung in dem Verdichter 12₃ , der Verbrennung in der Kammer 14₃ und der Entspannung in der Turbine 16₃ sowie die Stromerzeugung durch den Generator 18₃ , der in Verbindung mit der Eingangsgasturbine 10₁ und der Zwischengasturbine 10₂ beschrieben wurde. Dies erzeugt in der Leitung 50 am Ausgang der Entspannungsturbinen 10₁ und 10₂ Rauchgase, die eine geringe Menge an Sauerstoff, aber einen hohen Anteil an CO₂ aufweisen. Die Rauchgase, die eine hohe Temperatur und einen Umgebungsdruck aufweisen, werden in den Verdampfer 20₃ geschickt, der ebenfalls von der in der Leitung 36 zirkulierenden Flüssigkeit durchlaufen wird. Dies ermöglicht es, Dampf zu produzieren, der über die Leitung 52 abgeleitet wird.
Die abgekühlten Rauchgase, die diesen Verdampfer über die Leitung 54 verlassen, haben einen hohen Anteil an CO₂ bei einem Druck, der nahe dem des Atmosphärendrucks liegt, enthalten aber eine minimale Menge an Sauerstoff. Diese Rauchgase werden dann zu allen Mitteln zum Einfangen von CO₂ geschickt, wie jene, die weiter oben erwähnt wurden. Dies ermöglicht es, das Einfangen dieses CO₂ zu verbessern und zu vereinfachen, das bei Umgebungsdruck ausgeführt werden kann. Ferner ist die Menge an Sauerstoff, die in diesen Rauchgasen vorhanden ist, nicht ausreichend, um dieses Einfangen zu behindern, vor allem im Falle der Verwendung von chemisch reaktiven Lösemitteln.
Selbstverständlich kann, wenn gewünscht wird, die Menge an Sauerstoff noch weiter zu verringern, die in den Rauchgasen am Ausgang 54 vorhanden ist, eine Nachverbrennung dieser Rauchgase in dem Verdampfer 20₃ ausgeführt werden, bevor sie zu den Mitteln zum Einfangen von CO₂ geschickt werden. Um dies zu tun, wird Erdgas über die Leitung 30 in den Verdampfer 20₃ geschickt, um eine bevorzugt katalytische Verbrennung zu produzieren, mit dem Sauerstoff, der in den Rauchgasen enthalten ist, die diesen Verdampfer durchqueren. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, eine Mehrerzeugung von Dampf in der Leitung 52 auszuführen.
Der in den Leitungen 38, 46 und 52 zirkulierende Dampf wird zum Eingang der Entspannungsdampfturbine 24 geschickt, die er durchquert, wobei er sie um seine Achse rotierend durchquert. Diese Rotation treibt auch den Generator 26 an, mit dem die Turbine verbunden ist.
Somit hat das oben beschriebene Verfahren den Vorteil, einfach, robust, wirksam und preisgünstig zu sein, da keine spezifischen oder teuren Ausrüstungen benötigt werden, um die Konzentration von CO₂ im Hinblick auf sein Einfangen auszuführen.
Auf der Basis der oben beschriebenen Anlage hat der Anmelder eine Simulation ausgeführt, deren Ergebnisse nachfolgend angegeben sind.
Gemäß dieser Simulation wurden drei Gasturbinen vom Typ 7 des Herstellers General Electric (GE Frame 7) verwendet, wobei sie untereinander gemäß dem Schema aus 1 verbunden waren.
Bei einer Temperatur von 30 °C und mit einem relativen Feuchtigkeitsanteil von 50 % wird Luft bei Atmosphärendruck in den Verdichter 12₁ der Eingangsgasturbine 10₁ mit einer Durchflussmenge von 924 t/Std. (Tonne je Stunde) eingeführt, wobei sie eine Sauerstoffkonzentration von 21 Vol.-% aufweist. Diese verdichtete Luft wird dann in die Verbrennungskammer 14₁ eingeführt, wo sie sich mit dem gasförmigen Brennstoff, hier Methangas, vermischt, der in diese Verbrennungskammer durch die Leitung 30 mit einer Durchflussmenge von 15 t/Std. eingespeist wird. Nach der Verbrennung der Brennstoffluftmischung durchqueren die Rauchgase die Entspannungsturbine 16₁ , indem sie sie rotierend antreiben. Am Ausgang dieser Turbine haben die Rauchgase eine Temperatur nahe 530 °C unter einem Druck von 1,2 Bar abs. Diese heißen Rauchgase haben eine Durchflussmenge von 939 t/Std. und enthalten etwa 14,5 Vol.-% Sauerstoff und 3 Vol.-% CO₂. Der Generator 18₁ , der von der Entspannungsturbine 16₁ angetrieben wird, ermöglicht es, eine elektrische Leistung in einer Größenordnung von 76 MW (Megawatt) zu erbringen.
Diese Rauchgase werden zum Verdampfer 20₁ geschickt, wo sie es ermöglichen, die Flüssigkeit, die dort zirkuliert, wie etwa Wasser, in 160 t/Std. Dampf bei 260 °C unter 20 Bar in der Leitung 38 umzuwandeln. Diese Rauchgase haben am Ausgang dieses Verdampfers eine Temperatur von ungefähr 100 °C und werden zum Kühler 22₁ geschickt, wo sie mit einer Temperatur von 30 °C und mit einer Sauerstoffkonzentration in einer Größenordnung von 15 Vol.-% herauskommen. Das in diesen Rauchgasen enthaltene Wasser wird entfernt (etwa 19 t/Std. kondensiertes Wasser) bevor diese Rauchgase in den Verdichter 12₂ der Turbine 10₂ eingeführt werden. Die verdichteten Rauchgase werden in der Verbrennungskammer 14₂ mit 15 t/Std. Methangas gemischt. Die heißen Rauchgase, die aus dieser Verbrennung resultieren, durchqueren die Entspannungsturbine 16₂ , aus der sie mit einer Durchflussmenge von 935 t/Std. und mit einer Temperatur von etwa 530 °C wieder herauskommen. Diese Rauchgase enthalten dann bei einem Druck von 1,2 Bar abs. 8,7 Vol.-% Sauerstoff und 6,1 Vol.-% CO₂.
Ebenso werden diese Rauchgase an den Verdampfer 20₂ geschickt, um 160 t/Std. Dampf bei 260 °C unter 20 Bar in der Leitung 46 zu produzieren. Dieser Austausch ermöglicht auch, diese Rauchgase auf eine Temperatur von ungefähr 100 °C abzukühlen, die danach an den Kühler 22₂ geschickt werden, damit sie eine Temperatur von 30 °C erreichen. Das in diesen Rauchgasen enthaltene Wasser ebenfalls entfernt (etwa 26 t/Std. kondensiertes Wasser), bevor diese Rauchgase in den Verdichter 12₃ der Gasturbine 10₃ eingeführt werden. Am Eingang des Verdichters 12₃ haben die Rauchgase eine Durchflussmenge von 909 t/Std. mit einer Sauerstoffkonzentration in einer Größenordnung von 9 Vol.-%. Wie zuvor werden diese Rauchgase mit Methangas (mit einer Durchflussmenge von 15 t/Std.) in der Kammer 14₃ gemischt, wobei heiße Rauchgase produziert werden, die dann die Entspannungsturbine 16₃ durchqueren und diese dabei rotierend antrieben. Der Generator 18₃ produziert unter dem Impuls der Rotation dieser Turbine 16₃ etwa 75 MW elektrische Leistung.
Am Ausgang der Entspannungsturbine 16₃ und am Eingang des Verdampfers 20₃ beträgt die Durchflussmenge der zu behandelnden Rauchgase in der Leitung 50 924 t/Std. bei etwa 530 °C unter einem Druck von 1,2 Bar abs. Das CO₂, das in diesen Rauchgasen enthalten ist, liegt bei einer Größenordnung von 9,3 Vol.-%, während die Sauerstoffkonzentration bei etwa 2,7 Vol.-% liegt.
Um die Gegenwart von Sauerstoff in den Rauchgasen noch weiter zu minimieren und die CO₂-Konzentration in den abschließend zu behandelnden Rauchgasen zu erhöhen, ist es vorteilhafterweise vorgesehen, eine Nachverbrennung dieser Rauchgase auszuführen.
Genauer gesagt wird diese Nachverbrennung in dem Verdampfer 20₃ mit einer katalytischen Verbrennung ausgeführt, die mit 5 t/Std. Methan über die Leitung 30 versorgt wird. Diese Nachverbrennung ermöglicht es, am Ausgang des Verdampfers 320 t/Std. Dampf bei 260 °C und bei einem Druck von 20 Bar mit 1.000 ppm Sauerstoff und 10,5 % CO₂ zu produzieren. Diese 320 t/Std. Dampf, die zu den 160 t/Std. der Leitung 38 und zu den 160 t/Std. der Leitung 46 hinzukommen, ermöglichen es, 640 t/Std. Dampf an den Eingang der Entspannungsdampfturbine 24 zu schicken. Dieser Dampf ermöglicht somit, dank der Rotation der Turbine und des Generators 26, der mit dieser assoziiert ist, etwa 140 MW elektrische Leistung zu produzieren.
Somit liegt die gesamte elektrische Leistung, die von der Anlage produziert wird, bei etwa 365 MW (75 MW × 3 + 140 MW), wobei etwa 50 t/Std. Methan, äquivalent zu 645 MW Energie, verbraucht werden, was eine Ausbeute in der Größenordnung von 56 % bietet.
Dank der Erfindung wird die Menge der produzierten Rauchgase in einer Größenordnung von 929 t/Std. minimiert, während die Anlagen auf dem Stand der Technik etwa 2822 t/Std. Rauchgase produzieren. Außerdem ist die Sauerstoffkonzentration dieser Rauchgase minimal, während die CO₂-Konzentration ein hohes Niveau erreicht im Vergleich zu Rauchgasen einer Anlage auf dem Stand der Technik, die Sauerstoff in einer Größenordnung von 13,5 % und nur 4 % CO₂ enthalten.
Die nachfolgende Tabelle fasst die Ergebnisse zusammen, die für die zuvor beschriebene Konfiguration der Anlage erhalten wurden.
Wir beziehen uns jetzt auf 2, die eine Variante der Anlage aus 1 zeigt, und die aus diesem Grund die gleichen Bezugsnummern für die Elemente umfasst, die in beiden Figuren gleich sind.
Diese Variante unterscheidet sich von 1 dahingehende, dass ein Schritt vor dem Einfangen des CO₂ in Höhe der Endgasturbine 10₃ vorgesehen ist, vor dem Einfangen des CO₂ am Ausgang 54 des Verdampfers 20₃ .
Somit ist vorgesehen, zwischen dem Ausgang des Verdichters 12₃ und dem Eingang der Verbrennungskammer 14₃ dieser Gasturbine eine bekannte Vorrichtung zum Einfangen 56 von CO₂ anzuordnen. Diese Vorrichtung kann eine der zuvor beschriebenen sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Der Betrieb einer solchen Variante der Anlage ist mit demjenigen, der zuvor beschrieben wurde, bis zu dem Schritt identisch, in dem die verdichteten Rauchgase aus dem Verdichter 12₃ austreten. Diese verdichteten Rauchgase durchqueren dann die Vorrichtung zum Einfangen 56, in der das CO₂ von den Rauchgasen getrennt wird. Sobald ein großer Teil dieses CO₂ beseitigt wurde, abgeleitet zu allen Mitteln zur Speicherung und/oder Behandlung über Kanal S, werden die Rauchgase in die Verbrennungskammer 14₃ eingeführt, um eine Verbrennung mit dem Erdgas auszuführen, das über die Leitung 30 eingeführt wird. Die durch diese Verbrennung erzeugten Rauchgase werden zur Entspannungsturbine 16₃ geschickt, aus der sie herauskommen, um zum Verdampfer 20₃ geleitet zu werden. Ab dieser Konfiguration setzen sich die bezogen auf 1 beschriebenen Schritte mit der Erzeugung von Dampf, der über die Linie 52 zur Dampfturbine 24 transportiert wird und der Verdampfung der Rauchgase über die Leitung 54 fort, die in diesem Fall einen Anteil an CO₂ enthalten, der geringer ist als derjenige aus 1. Diese Rauchgase mit einem geringen Anteil an CO₂ werden dann entweder von einer anderen Vorrichtung zum Einfangen von CO₂ behandelt oder über einen Kamin (nicht dargestellt) an die Atmosphäre abgegeben.
Die Variante aus 3 ist durch die Tatsache gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Einfangen 56, die in der Gasturbine 10₃ enthalten ist, zwischen zwei Verdichtungsstufen 12_3A und 12_3B platziert ist, die diese Turbine umfasst.
Während des Betriebs einer sollten Anlage werden die Rauchgase, die über die Leitung 48 ankommen, durch die erste Verdichtungsstufe 12_3A bei einem ersten Druck verdichtet (im Bereich zwischen etwa 2 und etwa 10 Bar), und durchqueren dann die Vorrichtung zum Einfangen 56. Diese Rauchgase, aus denen ein großer Teil des CO₂ entfernt wurde, das über den Kanal S abgeleitet wird, werden in der zweiten Verdichtungsstufe 12_3B bei einem Druck im Allgemeinen im Bereich zwischen etwa 10 und etwa 40 Bar erneut verdichtet. Diese erneut verdichteten Rauchgase werden dann in die Verbrennungskammer 14₃ geschickt, um die Verbrennung mit dem Erdgas zu ermöglichen, das über die Leitung 30 eingeführt wird. Wie bereits bezogen auf 2 erwähnt, verläuft der Vorgang ab diesem Punkt so, dass Dampf in der Leitung 52 erzeugt wird und die Rauchgase mit einem geringen Anteil an CO₂ über die Leitung 54 oder über eine andere Vorrichtung zum Einfangen von CO₂ oder über einen Kamin in die Atmosphäre abgeleitet werden.
Gemäß der Variante aus 4 umfasst die Gasturbine 10₃ eine Vorrichtung zum Einfangen 56 von CO₂, die zwischen dem Ausgang des Verdichters 12₃ und der Verbrennungskammer 14₃ platziert ist, wie dies bereits bezogen auf 2 beschrieben wurde.
In dieser Variante werden die Rauchgase, die in der Leitung 54 am Ausgang des Verdampfers 20₃ zirkulieren, in den Eingang des Verdichters mindestens der Endgasturbine 10₃ über eine Rezirkulationsleitung 58, vollständig oder teilweise, wiedereingespeist. Vorteilhafterweise werden diese rezirkulierten Rauchgase durch das Durchleiten durch einen Austauscher 60 abgekühlt, damit sie auf eine Temperatur abzukühlen, die nahe an der der Rauchgase liegt, die über die Leitung 48 in den Verdichter eintreten.
Somit werden diese rezirkulierten Rauchgase im Verdichter mit den Rauchgasen gemischt, die über die Leitung 48 befördert werden, um danach zur Vorrichtung zum Einfangen 56 von CO₂ geleitet zu werden. Am Ausgang dieser Vorrichtung werden die verdichteten Rauchgase, aus denen das CO₂ größtenteils entfernt wurde, in die Verbrennungskammer 14₃ eingeführt, um eine Verbrennung mit dem Gas zu gewährleisten, das über die Leitung 30 eingeführt wird. Ebenso setzt sich der Betrieb dieser Anlage ab diesem Punkt fort, wie bereits bezogen auf die anderen Figuren beschrieben.
Es kann ebenfalls in Betracht gezogen werden, die Rauchgase der Leitung 54, insgesamt oder teilweise, zum Eingang des Verdichters der Zwischenturbine 10₂ und/oder der Eingangsturbine 10₁ rezirkulieren zu lassen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern schließt alle Varianten und Äquivalente ein

Claims

Verfahren zur Konzentration von Kohlendioxid (CO₂), das in den Rauchgasen vorhanden ist, die von einer Anlage zur Energieerzeugung abgegeben werden, die mehrere Gasturbinen mit einer Eingangsgasturbine (10₁ ) und mindestens einer zusätzlichen Gasturbine (10₂ , 10₃ ) umfasst, wobei die Turbinen eine Mischung aus einem Sauerstoffträger und einem Brennstoff verbrennen, einem Verfahren, bei dem die folgenden Schritte durchgeführt werden: – Verdichten eines Sauerstoffträgers in Form von Luft in der Eingangsgasturbine (10₁ ), – Gewährleisten einer Verbrennung dieser Luft und des Brennstoffs in dieser Eingangsgasturbine, – Ableiten aus dieser Turbine der Rauchgase, die durch die Verbrennung produziert werden, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, mindestens eine der zusätzlichen Gasturbinen (10₂ , 10₃ ) mit den Rauchgasen, als Sauerstoffträger, zu versorgen, die von der Eingangsturbine erzeugt werden, um am Ausgang dieser zusätzlichen Turbine Rauchgase mit einem geringen Sauerstoffanteil und einer hohen CO₂-Konzentration zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei zusätzliche Gasturbinen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, eine der zusätzlichen Gasturbinen (10₂ ) mit den Rauchgasen, als Sauerstoffträger, zu versorgen, die von der Eingangsturbine (10₁ ) erzeugt werden, und die andere der zusätzlichen Gasturbinen (10₃ ) mit den Rauchgasen, als Sauerstoffträger, zu versorgen, die von der einen der zusätzlichen Turbinen (10₂ ) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, die Rauchgase vor dem Einströmen in die zusätzlichen Gasturbinen (10₂ , 10₃ ) abzukühlen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, die Rauchgase, die aus den Turbinen austreten, einen Dampfgenerator (20₁ , 20₂ , 20₃ ) durchqueren zu lassen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, eine katalytische Verbrennung der Rauchgase mit einem Brennstoff in einem Dampfgenerator (20₃ ) auszuführen, um eine Mehrerzeugung von Dampf auszuführen.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, die Rauchgase, die aus dem Generator (20₃ ) austreten, mit den Rauchgasen zu mischen, die in mindestens eine der Gasturbinen (10₂ , 10₃ ) eingeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, die Rauchgase, die aus dem Generator (20₃ ) austreten, mit der Luft zu mischen, die in die Eingangsgasturbine (10₁ ) eingeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, das CO₂ am Ausgang des Wärmegenerators einzufangen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht das CO₂ am Ausgang des Verdichters (12₃ , 12_3A , 12_3B ) mindestens einer der Gasturbinen (10₁ , 10₂ , 10₃ ) einzufangen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei mindestens eine der Gasturbinen einen zweistufigen Verdichter (12_3A , 12_3B ) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, das CO₂ am Ausgang der ersten Stufe des Verdichters (12_3A ) einzufangen.
Anlage zur Energieerzeugung, die mehrere Gasturbinen mit einer Eingangsgasturbine (10₁ ) und mindestens einer zusätzliche Gasturbine (10₂ , 10₃ ) umfasst, wobei die Turbinen eine Mischung aus einem Sauerstoffträger und einem Brennstoff verbrennen, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsgasturbine (10₁ ) Mittel zum Einströmen von Luft, als Sauerstoffträger, umfasst, und dadurch, dass mindestens eine der zusätzlichen Gasturbinen Mittel zum Einströmen (34, 40, 44, 48) der Rauchgase, als Sauerstoffträger, umfasst, die aus der Eingangsgasturbine (10₁ ) stammen.
Anlage zur Energieerzeugung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum Abkühlen (22₁ , 22₂ , 58) der Rauchgase, vor deren Einführung in die Gasturbinen, umfasst.