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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befeuern einer
Wärme verbrauchenden
Vorrichtung. Beispielsweise ist das ein Befeuerungsverfahren eines Boilers
oder Ofens, bei welchem eine Verbrennung innerhalb der Wärme verbrauchenden
Vorrichtung durch Sauerstoff unterhalten wird, der mittels einer
Sauerstofftransportmembran von Luft abgetrennt wurde. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung ein derartiges Befeuerungsverfahren,
bei welchem der abgetrennte Sauerstoff außerdem eine Verbrennung unterhält, um einen
einströmenden
Luftstrom zu der Sauerstofftransportmembran zu erwärmen, und
bei welchem Rauchgase von der Wärme
verbrauchenden Vorrichtung umgewälzt
werden, um den zu der Wärme
verbrauchenden Vorrichtung geleiteten Sauerstoff zu verdünnen.
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Kohlendioxidemissionen,
die von der Verbrennung von fossilen Brennstoffen herrühren, wurden
als Hauptverursacher für
den Anstieg von Treibhausgasen in der Erdatmosphäre identifiziert. Dies trifft
insbesondere für
die Verbrennung von Kohle zu, da der Kohlenstoffgehalt von Kohle
im Vergleich zu anderen Brennstoffarten größer ist. Außerdem ist es möglich, dass
Anlagen, bei welchen eine Kohlebefeuerung eingesetzt wird, beispielsweise ältere elektrische
Einrichtungen, bei einem niedrigeren thermischen Wirkungsgrad betrieben
werden als Anlagen, die mittels flüssigen Brennstoffen befeuert
werden, wodurch inhärent
mehr Kohlendioxidemissionen erzeugt werden als bei flüssig befeuerten
Anlagen.
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Als
eine mögliche
Lösung
zur Verminderung der globalen Erwärmung wurde die Abtrennung
und nachfolgende Maskierung (Sequestration) von Kohlendioxid identifiziert.
Eine Maskierung nach einer Abtrennung wird durch Kompression des
Gases auf einen hohen Druck und Einspritzen desselben in tiefe Formationen
im Boden oder den Ozeanen erreicht. Unglücklicherweise sind übliche Mittel
zum Entfernen von Kohlendioxid von Rauchgasen, wie beispielsweise
Aminwaschen, kostspielig. Eine Verbrennung, die auf Sauerstoff beruht,
der mittels Tieftemperatur- oder Druckwechsel-Adsorptionszerlegungsanlagen
erzeugt wurde, senkt die Kosten des Abtrennens von Kohlendioxid
von den Rauchgasen, da das primäre
Verbrennungsprodukt Wasser ist, das leicht kondensiert werden kann.
Jedoch machen die mit der Abtrennung von Sauerstoff mittels Tieftemperaturdestillation
oder Druckwechseladsorption verbundenen Kosten eine derartige Praxis
wirtschaftlich unattraktiv.
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Obschon
im Stand der Technik das oben skizzierte Problem nicht direkt angegangen
wird, wurden ähnliche
Betrachtungen in anderen Gebieten vorgenommen. Beispielsweise ist
in
US 59 76 223 A ein
Sauerstofftransportmembran-Reaktor offenbart, in welchem keramische
Werkstoffe eingesetzt werden, um Sauerstoff von sauerstoffhaltigen
Einsatzströmen
abzutrennen. Solche keramischen Werkstoffe, im Allgemeinen Perovskite,
können,
wenn sie erwärmt
werden und einen Sauerstoffpartialdruckdifferential ausgesetzt werden, dazu
dienen, den Sauerstoff von einem sauerstoffhaltigen Einsatz abzutrennen.
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In
wohlbekannter Weise wird Sauerstoff an einer Kathodenseite einer
Membran ionisiert, die mittels einer Keramik hergestellt wurde,
die eine Abtrennung von Sauerstoff bewirken kann. Die Sauerstoffionen
werden durch die Membran auf deren Anodenseite transportiert. An
der Anodenseite der Membran rekombinieren die Sauerstoffionen, indem
sie die durch die Ionisation gewonnenen Elektronen verlieren. Die
Elektronen werden dann benutzt, um Sauerstoff an der Kathodenseite
zu ionisieren. Bei bestimmten Typen von keramischen Werkstoffen,
die als Mischleiter bezeichnet werden, werden sowohl Sauerstoffionen
als auch Elektronen geleitet. Bei keramischen Werkstoffen, die als
Innenleiter bezeichnet werden, werden nur Sauerstoffionen geleitet und
daher werden separate elektrische Leitwege zum Leiten der Elektronen
bereitgestellt.
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Gemäß
US 59 76 223 A wird
permeierter Sauerstoff mit einem Brennstoff an der Permeat- oder
Anodenseite der Membran verbrannt. Diese Verbrennung des Brennstoffs
reduziert den Sauerstoffpartialdruck an der Anodenseite der Membran,
indem der permeierte Sauerstoff verbraucht wird. Kohlendioxid kann
von dem Permeatausstrom gewonnen werden.
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Gemäß
US 58 88 272 A wird
die Permeatseite eines Sauerstofftransportmembran-Reaktors mit Verbrennungsprodukten
von einem stromab ablaufenden Verfahren, in welches Brennstoff injiziert
wird, gespült. Die
Verbrennung des Brennstoffs verbraucht einen Teil des erzeugten
Sauerstoffs, um die Membran zu erwärmen und die Antriebskraft
von Sauerstoff durch die Membran zu erhöhen. Der Verbrennungsausstrom
wird dann in einen stromab angeordneten Brenner eingeleitet und
dazu benutzt, die Verbrennung innerhalb des Brenners zu unterhalten
und dadurch den rückzuführenden
Verbrennungsausstrom zu erzeugen.
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In
US 61 49 714 A ist
das Spülen
der Permeatseite eines Sauerstofftransportmembran-Reaktors mit einem
Spülgasstrom
mit geringer Sauerstoffkonzentration offenbart. Dies erzeugt ein
Oxidationsmittel, das benutzt wird, um die Verbrennung des Brennstoffs
zu unterhalten und dadurch Verbrennungsprodukte zu erzeugen. Wasser
kann aus den Verbrennungsprodukten heraus kondensiert werden, und
Kohlendioxid kann daraus gewonnen werden.
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Die
US 63 82 958 B1 offenbart
ein Verfahren zur Luftzerlegung, bei welchem eine Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung
zur Beheizung eines Boilers auch verwendet wird, um einen Luftstrom
zu beheizen, bevor dieser in ein keramisches Membransystem eingeleitet
wird, um Sauerstoff vom Luftstrom abzuspalten, welcher seinerseits
verwendet wird, um den Boiler zu beheizen. In der
DE 43 13 102 A1 ist offenbart,
dass ein erster Brenner an einem vorderen Ende eines Drehofens angeordnet
ist und ein zweiter Brenner in einer Nachbrennkammer. Rauchgase,
welche bei der Verbrennung von Sonderabfall generiert werden, gelangen
in die Nachbrennkammer. Es ist ferner erläutert, dass Sauerstoff aus
einer Luftzerlegungsanlage diesen Brennern zugeführt werden kann. Die
EP 1 197 256 A1 offenbart
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Generierung von heißen Verbrennungsgasen,
wobei eine Gasturbine mit einer Luftzerlegungsanlage kombiniert
ist. Die Luftzerlegungsanlage beinhaltet eine mittels eines Brenners
beheizte Membran zur Sauerstoffabspaltung. Eine Rauchgasrückführung ist
nicht offenbart.
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Bei
all den vorgenannten Druckschriften muss der eingeleitete Luftstrom
erwärmt
werden. Dieses Erwärmen
verbraucht Brennstoff und erzeugt dadurch Kohlendioxid.
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Es
ist damit die Aufgabe des vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereit
zu Stellen, bei welchem eine Sauerstofftransportmembran für eine Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung
in einer Wärme
verbrauchenden Vorrichtung verwendet wird, in welcher die Luft,
die den abzutrennenden Sauerstoff enthält, ebenfalls mit einer Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung
vorgewärmt
wird.
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Die
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Ansprüchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
davon sind in den Unteransprüchen
genannt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befeuern einer
Wärme verbrauchenden
Vorrichtung. Es sei angemerkt, dass der Begriff „Wärme verbrauchende Vorrichtung", wie er im folgenden
und in den Ansprüchen
verwendet wird, eine jegliche Vorrichtung bezeichnet, in welcher
Wärme verbraucht
wird, wie beispielsweise einen Boiler oder einen Ofen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird Luft komprimiert, um einen verdichteten Luftstrom
zu erzeugen. Nach der Verdichtung wird der verdichtete Luftstrom
erwärmt,
um einen erwärmten,
verdichteten Luftstrom zu binden. Der verdichtete Luftstrom wird
mindestens teilweise durch eine erste Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung
erwärmt.
Der im Folgenden und in den Ansprüchen verwendete Begriff „Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung" bezeichnet eine
Verbrennung, die durch Sauerstoff unterhalten wird, der in einem
gasförmigen
Gemisch enthalten ist, welches keinen molekularen Stickstoff enthält, wie
beispielsweise Luft. Der Sauerstoff wird mittels eines elektrochemischen
Trennverfahrens unter Einsatz eines Sauerstoffionentransports durch
einen keramischen Werkstoff von dem erwärmten verdichteten Luftstrom
abgetrennt, um einen Sauerstoffpermeatstrom und einen Retentatstrom
zu erzeugen. Die Wärme
verbrauchenden Vorrichtung wird mittels einer zweiten Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung
angefeuert, die ein Kohlendioxid enthaltendes Rauchgas erzeugt.
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Die
erste und die zweite Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung werden durch
in dem Sauerstoffpermeat enthaltenen Sauerstoff unterhalten. Der
Sauerstoff wird in die zweite Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung
als ein verdünnter
Sauerstoffstrom eingebracht, der durch Verdünnen des Sauerstofftpermeat
mit einem Verdünnungsstoff
gebildet wird, der mindestens teilweise durch Rückführen eines Teils des Kohlendioxid
enthaltenden Rauchgases erzeugt wurde. Von der Wärme verbrauchenden Vorrichtung
wird ein Produktstrom abgezogen, der aus einem verbleibenden Teil
des kohlendioxidhaltigen Rauchgases gebildet wird. Dieser Produktstrom
wird dann in dem stromablaufenden Verfahren verwendet. Alternativ
können
Wasser und Kohlendioxid von dem Strom abgetrennt werden, um das
Kohlendioxid zu maskieren.
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Vorzugsweise
liegt der Sauerstoffgehalt des verdünnten Sauerstoffstroms zwischen
etwa 10 Volumenprozent und etwa 40 Volumenprozent. Stärker bevorzugt
liegt der Sauerstoffgehalt des verdünnten Sauerstoffstroms zwischen
etwa 15 Volumenprozent und etwa 25 Volumenprozent. Dies ist insbesondere
dann von Bedeutung wenn eine Wärme
verbrauchenden Vorrichtung nachgerüstet wird.
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Der
Sauerstoff kann von dem erwärmten,
verdichteten Luftstrom innerhalb mindestens einer Sauerstofftransportmembran
abgetrennt werden, die über
eine Retentatseite und eine Permeatseite verfügt. Mindestens ein Teil des
Rauchgasstromes wird von dem Teil des kohlendioxidhaltigen Rauchgases
gebildet. Der Rauchgasstrom wird in die Permeatseite der mindestens
einen Sauerstofftransportmembran als ein Verdrängungs- oder Spülgasstrom
eingeleitet, um dadurch einen Sauerstoff enthaltenden Spülgasstrom
zu bilden. Der Sauerstoff enthaltende Spülgasstrom wird in einen befeuerten
Erhitzer eingeleitet, um die erste Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung
mit einem Teil des darin enthaltenen Sauerstoffs zu unterhalten.
Dies erzeugt einen Verbrennungsproduktstrom. Der verdünnte Sauerstoff
enthaltende Strom wird mindestens zum Teil durch den Verbrennungsproduktstrom
gebildet.
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Bei
einer anderen Ausführungsform,
bei welcher mindestens eine Sauerstofftransportmembran und ein befeuerter
Erhitzer eingesetzt werden, wird ein Spülgasstrom zu der Permeatseite
der mindestens einen Sauerstofftransportmembran geleitet, um einen
Sauerstoff enthaltenden Spülgasstrom
zu bilden. Ein Teil des Sauerstoff enthaltenden Spülgasstroms
und mindestens ein Teil eines Rauchgasstroms, der von dem Teil des Kohlendioxid
enthaltenden Rauchgases gebildet wird, werden in die Verbrennungskammer
des befeuerten Erhitzers eingeleitet. Dadurch wird die erste Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung
unterhalten und der Spülgasstrom
gebildet. Der verdünnte
Sauerstoff enthaltende Strom wird zumindest zum Teil aus dem verbleibenden Teil
des Sauerstoff enthaltenden Spülgasstroms
gebildet.
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Das
Vorwärmen
der Luft kann in einem Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzer
durchgeführt
werden. Diese Art von Vorrichtung ist in
US 58 20 654 A veranschaulicht.
Der Sauerstoff wird von dem erwärmten,
verdichteten Luftstrom innerhalb einer ersten und einer zweiten
Abtrennung abgetrennt, die in einem Sauerstofftransportmembran-Separator bzw. einem
Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzer erfolgen. Sowohl
die Sauerstofftransportmembran als auch der Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzer
haben gegenüberliegende
Retentat- und Permeatseiten. Der verdichtete Luftstrom wird in dem
Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzer in einem Wärmetauscher erwärmt, der
an dessen Retentatseite angeordnet ist. Die erste Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung
umfasst eine Verbrennung von Brennstoff innerhalb der Permeatseite
des Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzers.
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Bei
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei welcher ein Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzer
eingesetzt wird werden der Brennstoffstrom und mindestens ein Teil
eines Rauchgasstroms, der von dem Teil des Kohlendioxid enthaltenden
Rauchgases gebildet wird, zu der Permeatseite des Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzers
als ein reaktiver Spülstrom
eingeleitet, um mit einem Teil des Sauerstoffpermeats zu reagieren,
um dadurch die erste Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung zu bewirken
und einen Verbrennungsproduktstrom zu erzeugen. Die erste Abtrennung
erzeugt einen intermediären
Retentatstrom, der wiederum in die Retentatseite des Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzers
eingeleitet wird, wodurch die zweite Abtrennung bewirkt wird und
der Retentatstrom gebildet wird. Der Verbrennungsproduktstrom wird
zu der Permeatseite des Sauerstofftransportmembran-Separators eingeleitet,
um so einen Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsproduktstrom zu
bilden. Der verdünnte,
Sauerstoff enthaltende Strom wird mindestens teilweise durch den
Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsproduktstrom gebildet.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform
wird der Brennstoffstrom zusammen mit mindestens einem Teil des
Rauchgasstroms, der zumindest teilweise von dem Teil des Kohlendioxid
enthaltenden Rauchgases gebildet wird, zu der Permeatseite des Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzers
eingeleitet, um mit einem Teil des Sauerstoffpermeats zu reagieren.
Dies bewirkt die erste Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung und erzeugt
einen Verbrennungsproduktstrom. Die erste Abtrennung erzeugt einen
intermediären
Retentatstrom. Der intermediäre
Retentatstrom wird arbeitsleistend entspannt, um einen Retentatauslassstrom
zu erzeugen. Der Retentatauslassstrom wird in die Retentatseite
des Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzers eingeleitet,
um so die zweite Abtrennung zu bewirken und den Retentatstrom zu
bilden, der nach der Gewinnung von darin enthaltender Wärme aus
dem System abgelassen oder als ein mit Stickstoff angereichertes
Produkt gewonnen werden kann. Der Verbrennungsproduktstrom wird
in die Permeatseite des Sauerstofftransportmembran-Separators eingeleitet,
um so einen Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsproduktstrom zu
bilden. Der verdünnte,
Sauerstoff enthaltende Strom wird mindestens teilweise von dem Sauerstoff
enthaltenden Verbrennungsproduktstrom gebildet.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird die Permeatseite des Verbrennungserhitzers bei einem erhöhten Druck
betrieben. Diese Ausführungsform
sowie andere Ausführungsformen,
bei welchen ein Verbrennungserhitzer eingesetzt wird, machen sich
das Vermögen
der Sauerstofftransportmembran zunutze, Sauerstoff von einem niedrigeren
Gesamtdruck auf einen höheren
Gesamtdruck abzutrennen und zu transportieren, wenn der Sauerstoff partialdruck
an der Retentatseite größer als
der Sauerstoffpartialdruck an der Permeatseite ist. Der Verbrennungsproduktstrom
wird von der Permeatseite des Verbrennungserhitzers abgezogen und
arbeitsleistend entspannt. Anschließend wird der Strom in einen
Rauchgasstrom eingeleitet, der mindestens teilweise von dem Teil
des Kohlendioxid enthaltenden Rauchgases gebildet wird. Ein Brennstoffstrom wird
verdichtet, um einen verdichteten Brennstoffstrom zu bilden, der
zu der Permeatseite des Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzers
eingeleitet wird. Die Expansionsarbeit wird mindestens teilweise
für die Verdichtung
des Brennstoffs verwendet. Zusätzliche
Energie kann verwendet werden, um gewonnene Energie abzuführen. Mindestens
ein Teil des Rauchgasstroms wird nach dem Einleiten des Verbrennungsproduktstroms
durch die erste Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung erwärmt und
anschließend
zu der Permeatseite des Sauerstofftransportmembran-Separators eingeleitet
um so einen Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsproduktstrom zu
bilden. Die erste Abtrennung erzeugt einen intermediären Retentatstrom,
der arbeitsleistend expandiert wird, um einen Retentatauslassstrom
zu erzeugen. Der Retentatauslassstrom wird zu der Retentatseite
des Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzers eingeleitet,
um so eine zweite Abtrennung zu bewirken und den Retentatstrom zu
bilden. Der verdünnte,
Sauerstoff enthaltende Strom wird mindestens teilweise durch den
Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsproduktstroms gebildet. Bei
dieser Ausführungsform kann
der Rauchgasstrom aus einem Anteil des Teils des Kohlendioxid enthaltenden
Rauchgases gebildet werden. Ein weiterer Rauchgasstrom kann aus
einem verbleibenden Anteil des Teils des Kohlendioxid enthaltenden
Rauchgases gebildet werden, und der weitere Rauchgasstrom kann vor
der Verdichtung des Brennstoffgasstroms mit dem Brennstoffgasstrom
vereint werden.
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Gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform
kann ein Verbrennungsproduktstrom von der Permeatseite des Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzers
abgezogen und in indirekten Wärmeaustausch mit
dem Brennstoffstrom gebracht werden. Der Verbrennungsproduktstrom
kann gekühlt
werden, wodurch Wasser abgetrennt werden kann. Wasser kann von dem
Produktstrom abgetrennt werden, und nach dem Abtrennen vom Wasser
wird der Produktstrom verdichtet, um einen verdichteten Produktstrom
zu bilden. Der Verbrennungsproduktstrom kann in den verdichteten
Produktstrom eingebracht werden. Mindestens ein Teil eines Rauchgasstroms,
der aus dem Teil des Sauerstoff enthaltenden Rauchgases gebildet
wurde, wird durch die erste Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung erwärmt und
in die Permeatseite des Sauerstofftransportmembran-Separators als
ein Spülgasstrom
eingeleitet. Dies erzeugt einen Sauerstoff enthaltenden Spülgasstrom. Die
erste Abtrennung erzeugt einen intermediären Retentatstrom, der in die
Retentatseite des Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzers
eingeleitet wird. Dies bewirkt die zweite Abtrennung und erzeugt
den Retentatstrom. Der verdünnte,
Sauerstoff enthaltende Strom wird mindestens teilweise durch den
sauerstoffhaltigen Spülgasstrom
gebildet.
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Bei
all den verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
Wärme und
Energie aus dem Retentatstrom wiedergewonnen und verwendet werden,
um den verdichteten Luftstrom teilweise zu erwärmen und den einströmenden Luftstrom
zu verdichten. Bei jenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, bei welchen ein befeuerter Erhitzer
verwendet wird sowie bei der Ausführungsform, bei welcher der intermediäre Retentatstrom
in den Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzer eingeleitet
wird, kann der Retentatstrom arbeitsleistend expandiert werden.
Die Expansionsarbeit kann mindestens teilweise für die Verdichtung des Luftstroms
verwendet werden. Überschüssige Energie
kann benutzt werden, um Energie zu erzeugen. Ein Auslassstrom, der
aus dem Retentatstrom nach der Expansion besteht, kann in indirekten
Wärmeaustausch
mit dem verdichteten Luftstrom gebracht werden, um den verdichteten
Luftstrom teilweise zu erwärmen.
Bei jenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, bei welchen der intermediäre Retentatstrom
expandiert wird, kann die Expansionsarbeit für die Verdichtung des Luftstroms
oder für
die Erzeugung von nutzbarer Energie verwendet werden. Der Retentatstrom
kann in indirekten Wärmeaustausch
mit einem verdichteten Luftstrom gebracht werden, um den verdichteten
Luftstrom teilweise zu erwärmen.
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Bei
allen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann der Rauchgasstrom in einen ersten
und einen zweiten subsidiären
Rauchgasstrom geteilt werden. In der vorliegenden Beschreibung wird
der mindestens einen Teil des Rauchgasstroms ausmachende Strom als
der erste subsidiäre
Rauchgasstrom bezeichnet. Der verdünnte Sauerstoff enthaltende
Strom wird auch aus dem zweiten subsidiären Rauchgasstrom gebildet.
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Zusätzlich kann
das Kohlendioxid enthaltende Rauchgas von einem Kamin oder Rauchzug
der Wärme verbrauchenden
Vorrichtung als ein Strom des Kohlendioxid enthaltenden Rauchgases
abgezogen werden. Der Kohlendioxid enthaltende Rauchgasstrom kann
in einen indirekten Wärmeaustausch
mit dem verdichteten Luftstrom gebracht werden und dann in den Rauchgasstrom
und den Produktstrom zerlegt werden. Der Rauchgasstrom kann in einem
rekuperativen Wärmetauscher,
der in den Kamin der Wärme
verbrauchenden Vorrichtung angeordnet ist, erneut erwärmt werden.
In allen Fällen
kann die zweite Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung eine Verbrennung
von entweder Kohle oder Brennstofföl sein. Die Wärme verbrauchende
Vorrichtung kann ein Boiler sein.
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Die
Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
schematische Veranschaulichung einer Vorrichtung zum Ausführen eines
Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
2 eine
schematische Veranschaulichung einer Vorrichtung zum Ausführen eines
Verfahrens einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
-
3 eine
schematische Veranschaulichung einer Vorrichtung zum Ausführen eines
Verfahrens gemäß einer
weiteren alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
schematische Veranschaulichung einer Vorrichtung zum Ausführen des
Verfahrens gemäß einer
weiteren alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
5 eine
schematische Veranschaulichung einer Vorrichtung zum Ausführen eines
Verfahrens gemäß noch einer
weiteren alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
6 eine
schematische Veranschaulichung einer Vorrichtung zum Ausführen einer
alternativen Ausführungsform
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, wie sie in 5 gezeigt
ist; und
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7 eine
schematische Veranschaulichung einer Vorrichtung zum Ausführen noch
einer weiteren alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Um überflüssige Wiederholungen
zu vermeiden werden in den verschieden Illustrationen gleiche Bezugszeichen
verwendet, um Elemente zu bezeichnen, die über den gleichen Aufbau oder
die gleiche Funktion verfügen.
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In 1 ist
eine Vorrichtung 1 veranschaulicht, die ausgelegt ist,
um gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Boiler 2 durch die Verbrennung von Kohle
zu befeuern. Die Vorrichtung 1 eignet sich insbesondere zum
Nachrüsten
eines vorhandenen mit Kohle befeuerten Boilers. Es sei jedoch angemerkt,
dass obschon die vorliegende Erfindung in bevorzugten Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf einen Boiler 2 erläutert wird, diese mit einer
jeglichen Wärme
verbrauchenden Vorrichtung oder einem solchen Verfahren verwendet
werden kann. Beispielsweise könnte
mittels sehr geringen Abänderungen
der Boiler 2 durch einen Ofen ersetzt werden.
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Ein
Luftstrom 10 wird mittels eines Kompressors 12 auf
einen Druck von etwa 2,75 bis etwa 20,7 bar (etwa 40 bis etwa 300
psia) verdichtet, um einen verdichteten Luftstrom 14 zu
bilden. Der verdichtete Luftstrom 14 wird innerhalb eines
rekuperativen oder regenerativen Wärmetauschers 16 vorgewärmt und
dann mittels indirektem Wärmeübergang
von einer ersten Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung innerhalb eines
befeuerten Erhitzers 18 auf die Betriebstemperatur eines
Sauerstofftransportmembran-Separators 20 erwärmt, insbesondere
auf eine Temperatur zwischen etwa 760°C (1400°F) und etwa 982°C (1800°F). Für diese
Zwecke ist innerhalb des befeuerten Erhitzers 18 eine Wärmeaustauschdurchleitung
in Form einer Schlange 21 vorgesehen.
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Der
verdichtete Luftstrom 14 wird nach dem Erwärmen in
einen Sauerstofftransportmembran-Separator 20 eingeleitet,
der eine oder mehrere Sauerstofftransportmembranen aufweist, wie
bei dem Bezugszeichen 22 angedeutet ist. Die Sauerstofftransportmembran 22 verfügt über eine
Retentatseite 24 und eine Permeatseite 26. Vorzugsweise
tritt der verdichtete Luftstrom 14 nach dessen Erwärmen in
die Retentatseite 24 mit einer Temperatur von etwa 904°C (1660°F) ein, um
die Sauerstofftransportmembran 22 auf ihre Betriebstemperatur
zu erwärmen.
Näherungsweise
etwa 40 bis etwa 95% des Sauerstoffs werden abgetrennt und sammeln
sich an der Permeatseite 26, wobei ein Retentatstrom 28 mit
einem Druck erzeugt wird, der 34,5 bis 69 kPa (5 bis 10 psi) geringer
als der des verdichteten Luftstroms 14 ist.
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Wie
nachfolgend erläutert
wird die Permeatseite 26 des Sauerstofftransportmembran-Separators 20 mittels
eines Rauchgasstromes 46 gespült, um den Sauerstoffpartialdruck
an der Permeatseite 24 zu senken und damit die Antriebskraft
für den
Sauerstofftransport zu erhöhen.
Dies erzeugt einen sauerstoffhaltigen Spülgasstrom 30, der
in den befeuerten Erhitzer 18 eingeleitet wird, um darin
die erste Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung von Brennstoff 13 mit
einem Teil des permeierten Sauerstoffs, der in den Sauerstofftransportmembran-Separator 20 erzeugt
wurde, zu unterhalten. Diese Verbrennung erzeugt einen Verbrennungsproduktstrom 32,
der Sauerstoff enthält,
der wiederum dazu benutzt wird, eine zweite Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung
zu unterhalten, die durch Verbrennung der Kohle innerhalb des Boilers 2 erfolgt.
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Die
Verbrennung innerhalb des Boilers 2 erzeugt ein kohlendioxidhaltiges
Rauchgas, welches außerdem
Wasser enthält,
das als ein Strom 34 extrahiert wird. Der Strom 34 kann
zu dem Wärmetauscher 16 geleitet
werden, wo ein gewisser Teil der Restwärme in dem Wärmetauscher 16 gewonnen
wird, um bei dem Vorwärmen
des verdichteten Luftstroms 14 beizutragen. Obschon diese
Vorgehensweise bevorzugt wird, ist sie dennoch optional. Falls jedoch
diese Restwärme
an die Umgebung verloren geht, erhöht sich der Brennstoffverbrauch.
Nach einer solchen Wärmegewinnung
wird der Strom 34 in einen Produktstrom 36 und
einen Rauchgasstrom 38 geteilt. Der Produktstrom 36 wird
zwecks weiterer Verarbeitung als Produkt gewonnen oder nach einer
Kondensation und Entfernung von enthaltenem Wasser für eine nachfolgende
Maskierung verdichtet. Der Produktstrom 36 und der Rauchgasstrom 38 werden
mittels Gebläsen 40 bzw. 42 auf
einen Druck von typischerweise etwa 115 bis etwa 143 kPa (etwa 2
bis etwa 6 psig) verdichtet um die Druckabfälle in den nachfolgenden Druckkreisläufen auszugleichen.
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Der
Rauchgasstrom 38 wird innerhalb eines Rauchgas-Rekuperators 45,
der in dem Kamin des Boilers 2 angeordnet ist, auf eine
Temperatur von etwa 327°C
(620°F)
erhitzt. Es versteht sich, dass bei dieser oder jeder nachfolgenden
Ausführungsform
der Rauchgas-Rekuperator 45 weggelassen werden könnte. Der thermische
Energieverlust müsste
jedoch durch einen Mehrverbrauch von Brennstoff kompensiert werden.
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Der
Rauchgasstrom 38 wird in einen ersten und einen zweiten
subsidiären
Rauchgasstrom 46 bzw. 48 geteilt. Der erste subsidiäre Rauchgasstrom 46 wird
innerhalb des befeuerten Erhitzers 18 mittels eines Durchtritts,
wie er durch eine Wärmetauscherschlange 50 gebildet
wird, auf die Betriebstemperatur der Membran von etwa 904°C (1660°F) erwärmt. Anschließend wird
der erste subsidiäre
Rauchgasstrom 46 in die Permeatseite 26 des Sauerstofftransportmembran-Separators 20 geleitet,
um die Permeatseite 26 zu spülen und dadurch den Sauerstoff
enthaltenden Spülgasstrom 30 zu
bilden. Wie zuvor erwähnt,
wird der Sauerstoff enthaltende Spülgasstrom 30 in dem
befeuerten Erhitzer 18 eingeleitet, um den Verbrennungsproduktstrom 32 zu
erzeugen, der dann mit dem zweiten subsidiären Rauchgasstrom 48 vereint
wird, um so einen verdünnten,
Sauerstoff enthaltenden Strom 52 zu bilden, um die Verbrennung
von Kohle zu unterhalten. Bei dieser und den nachfolgenden Ausführungsformen
enthält
der verdünnte,
Sauerstoff enthaltende Strom 52 vorzugsweise zwischen etwa
10 und etwa 40 Volumenprozent Sauerstoff. Stärker bevorzugt reicht dieser
Bereich von etwa 15 Volumenprozent bis etwa 25 Volumenprozent Sauerstoff.
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Es
sei angemerkt, dass bei dieser und den nachfolgenden Ausführungsformen
der gesamte Rauchgasstrom 38 als ein Spülgas verwendet werden könnte. Jedoch
hat der verminderte Gebrauch des Rauchgasstromes 38 in
den veranschaulichten Ausführungsformen
den Vorteil, dass der Druckabfall in den entsprechenden Rohleitungen
und die Wärmeleistung
des befeuerten Erhitzers 18 gesenkt werden. Dies vermindert
wiederum den Gebrauch von Erdgas, welches vorzugsweise als ein Brennstoff
für den
befeuerten Erhitzer 18 verwendet wird. Es versteht sich,
dass Erdgas ein kostspieligerer Brennstoff ist, als die zum Befeuern
von Boiler 2 verwendete Kohle. Es wird eine Aufteilung
bevorzugt, bei welcher der erste subsidiäre Rauchgasstrom 46 zwischen
etwa 20 und etwa 60% des Rauchgasstromes 38 ausmacht.
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Vorzugsweise
wird die Wärmeenergie
des Retentatstroms 28 gewonnen und nicht einfach abgeführt. In
dieser Hinsicht wird Retentatstrom 28 in einen Turboexpander 54 eingeleitet,
um einen Auslassstrom 56 zu erzeugen, der einen Druck vorzugsweise
bei oder nahe dem Atmosphärendruck
hat. Der Auslassstrom 56 wird in einen rekuperativen Wärmetauscher
geleitet, um den verdichteten Luftstrom 14 vorzuwärmen. Der
Turboexpander 54 ist mit dem Verdichter 10 gekoppelt
und überschüssige Energie
wird in einem Generator 57 abgezogen.
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Die
Energiemenge, die von dem Turboexpander 54 gewonnen werden
kann, hängt
von der prozentualen Sauerstoffgewinnung innerhalb des Sauerstofftransportmembran-Separators 20 ab.
Eine geringe Sauerstoffgewinnung wird die verfügbare abführbare Energie steigern und
eine etwas größere Antriebskraft
auf Kosten eines größeren Kompressor-Turbinen-Systems ergeben.
Die minimale ausreichende Energie ist diejenige, die den Kompressor 12 antreibt.
Obschon ausreichend Energie vorhanden ist, um auch die Gebläse 40 und 42 zu
betreiben, wird diese verwendet, um Rauchgase zwecks Maskierung
zu verdichten und/oder in dem Generator 57 abführbare Energie
zu erzeugen. Obschon dies nicht veranschaulicht ist, könnte zwischen
dem Sauerstofftransportmembran-Separator 20 und dem Turboexpander 54 ein
Erhitzer zugefügt
sein, um den Energieausstoß zu
steigern. Alternativ könnte
der Retentatstrom 28 auf eine niedrigere Temperatur gekühlt werden,
um den Aufbau und die Materialwahl des Turboexpanders 54 zu
vereinfachen.
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Bei
der Ausführungsform
von 2 wird ein befeuerter Erhitzer 18' benutzt, der
wiederum einen von einer Schlange 21 gebildeten Durchlauf
aufweist, um die einströmende
Luft zu erwärmen.
Bei dieser Ausführungsform
wird ein Verbrennungsproduktstrom 58 in die Permeatseite 26 des
Sauerstofftransportmembran-Separators 20 eingeleitet, um
einen Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsproduktstrom 59 zu
erzeugen. Ein Teil des Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsproduktstroms 59 wird
als ein Strom 60 in den befeuerten Erhitzer 18' zusammen mit
dem ersten subsidiären
Rauchgasstrom 46 eingeleitet, um den Verbrennungsproduktstrom 58 zu
erzeugen. Anders als bei der vorherigen Ausführungsform wird nicht der gesamte
Verbrennungsproduktstrom in den befeuerten Erhitzer 18' eingebracht.
Obschon dadurch eine Wärmetauscherschlange
eingespart wird, ist hierbei ein zusätzliches Hochtemperaturgebläse 62 erforderlich,
um den Strom 60 einzublasen.
-
Ein
verbleibender Teil des Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsproduktstroms 59 wird
als ein Strom 64 mit dem zweiten subsidiären Rauchgasstrom 48 vereint,
um einen verdünnten,
Sauerstoff enthaltenden Strom 52 zu bilden, um die Verbrennung
von Kohle innerhalb des Boilers 2 zu unterhalten. Zusätzlich kann optional
ein Wärmetauscher 66 verwendet
werden, um die Temperatur des Retentatstroms 28 zu senken,
um eine niedrigere Einlasstemperatur für den Turboexpander 54 zu
bewirken. Der Vorteil hierbei ist, dass weniger kostspielige Materialen
für den
Expander 54 verwendet werden können, wobei dies jedoch auf
Kosten von Energieabgabe geht.
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Bei
der in
3 gezeigten Ausführungsform ist anstelle der
befeuerten Erhitzer
18 und
18' ein Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzer
68 mit
dem Sauerstofftransportmembran-Separator
20 gekoppelt,
um die erste Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung durchzuführen und
dadurch den einströmenden
verdichteten Luftstrom
14 zu erhitzen. Die Vorteile der
Verwendung des Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzers
bestehen darin, dass dieser bis zu 100% Ausbeute an dem in der Luft
enthaltenden Sauerstoff ermöglicht,
um die Verbrennung zu unterhalten. Außerdem kann hierbei ein hochreines
Stickstoffprodukt gewonnen werden. Wie in
US 58 20 654 A angedeutet
ist, kann der Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzer
68 mit
dem Sauerstofftransportmembran-Separator
20 in einer einzigen
Vorrichtung kombiniert werden. Bei dieser und den nachfolgenden
Ausführungsformen
wird die Wärmeleistung
die zum Erwärmen
der Sauerstofftransportmembranen in den Vorrichtungen benötigt wird,
durch die von der ersten Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung, die
in dem Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzer
68 abläuft, bereitgestellt.
Es sei darauf hingewiesen, dass in den nachfolgenden Ausführungsformen
der Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzer
68 mit
dem Bezugszeichen
68',
68'' und
68''' bezeichnet
wird, da in diesen Vorrichtungen eine geringfügig abweichende Anordnung von
Wärmetauscherschlangen
vorgesehen ist.
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Wie
veranschaulicht hat der Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzer 68 eine
Retentatseite 70 und eine Permeatseite 72, die
von einander durch eine keramische Membran 74 getrennt
sind. Ein verdichteter Luftstrom 14 wird durch eine Wärmetauscherschlange 76 geleitet,
die in der Retentatseite 70 des Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzers 68 angeordnet
ist, wo der Luftstrom durch die Verbrennung von Brennstoff an dessen
Permeatseite 72 erwärmt
wird.
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Zu
diesem Zweck wird ein Brennstoffstrom 78, vorzugsweise
Erdgas, zusammen mit dem subsidiären Rauchgasstrom 46 in
einen in der Permeatseite 72 des Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzers 68 vorgesehene
Wärmetauscherschlange 80 eingeleitet.
Die Verbrennung kann falls erwünscht
geringfügig brennstoffreich
sein, um die Sauerstoffausbeute zu erhöhen. Der Brennstoff reagiert
typischerweise mit dem gesamtem permeierten Sauerstoff, um die erste
Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung zu bewirken und dadurch einen
Verbrennungsproduktstrom 82 zu erzeugen, der in die Permeatseite 26 des
Sauerstofftransportmembran-Separators eingeleitet wird, wo zusätzlicher
Sauerstoff permeiert wird, um somit einen Sauerstoff enthaltenden
Verbrennungsproduktstrom 84 zu bilden. Der Sauerstoff enthaltende
Verbrennungsproduktstrom 84 wird mit dem zweiten subsidiären Rauchgasstrom 48 vereint,
um einen verdünnten,
Sauerstoff enthaltenden Strom 52 zu bilden, der in den
Boiler 2 eingeleitet wird.
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Nach
einer ersten Abtrennung von Sauerstoff innerhalb des Sauerstofftransportmembran-Separators 20 wird
ein intermediärer
Retentatstrom 85 gebildet, der in den Verbrennungserhitzer 68 eingebracht
wird, um somit eine zweite Abtrennung des Sauerstoffs zu bewirken
und so den Retentatstrom 28 zu erzeugen. In ähnlicher
Weise wie bei den vorherigen Ausführungsformen kann der Retentatstrom 28 in
einen Turboexpander 54 eingeleitet werden, um einen Auslassstrom 56 zu
erzeugen, der wiederum verwendet werden kann, um den einströmenden,
verdichteten Luftstrom 14 teilweise zu erwärmen.
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In 4 ist
eine alternative Ausführungsform
gezeigt, in welcher ein Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzer 68' benutzt wird.
Bei dieser Ausführungsform
wird der intermediäre
Retentatstrom 85 in den Expander 54 eingeleitet.
Der Retentatauslassstrom 68 des Turboexpanders 54 wird
in die Retentatseite 70' des
Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzers 68' über eine
Wärmetauscherschlange 87 eingebracht,
wo der Reten tatauslassstrom 86 auf die Betriebstemperatur
der Membran erwärmt
wird. Da die Reaktion mit Brennstoff einen sehr geringen Sauerstoffpartialdruck
an der Permeatseite 72' erzeugt,
ist eine adäquate
Antriebskraft für
die Abtrennung vorhanden, selbst wenn der Druck des Retentatauslassstroms 86 aufgrund
der Expansion gering ist. Bei dieser Ausführungsform kann mehr Energie
gewonnen werden, als bei der in 3 gezeigten
Ausführungsform,
da der intermediäre
Retentatstrom 85 eine höhere
Stoffdurchflussrate hat als der Retentatstrom 28. Dies
liegt daran, dass der Sauerstoffgehalt des intermediären Retentatstroms 85 höher ist
als jener des Retentatstroms 28.
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Bei
der in 5 gezeigten Ausführungsform wird ein Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzer 68'' verwendet, der über eine
Permeatseite 72'' verfügt, die
bei erhöhtem
Druck betrieben wird. Dies erlaubt eine Energiegewinnung von den
Verbrennungsprodukten des Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzers 68''.
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Ein
Verbrennungsproduktstrom 88 wird von der Permeatseite 72'' des Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzers 68'' abgezogen und in einem Turboexpander 89 expandiert.
Die Expansionsarbeit kann mittels eines elektrischen Generators 90 und
eines Erdgaskompressors 92 von dem Turboexpander 89 abgeführt werden.
Der Ausstrom von dem Turboexpander 89 wird als ein Strom 94 in
den Rauchgasstrom 38 eingebracht und anschließend wird
der Rauchgasstrom 38 in einen ersten und einen zweiten
subsidiären Rauchgasstrom 46 bzw. 48 geteilt.
Der erste subsidiäre
Rauchgasstrom 46 wird in einer an der Permeatseite 72'' angeordneten Wärmetauscherschlange 100 erwärmt, um
einen Spülgasstrom 101 zu
erzeugen, der in die Permeatseite 26 des Sauerstofftransportmembran-Separators 20 eingeleitet
wird, um so einen Sauerstoff enthaltenden Spülgasstrom 102 zu erzeugen.
Der Sauerstoff enthaltende Spülgasstrom 102 wird
mit dem zweiten subsidiären
Rauchgasstrom 48 vereint, um einen verdünnten, Sauerstoff enthaltenden
Strom 52 zu bilden.
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Ein
Brennstoffstrom 103, vorzugsweise Erdgas, wird in einen
Erdgasverdichter 92 verdichtet, um einen verdichteten Erdgasstrom 104 zu
bilden. Der verdichtete Erdgasstrom 104 wird mittels einer
Wärmetauscherschlange 106 in
die Permeatseite 72'' des Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzers 69'' eingebracht. Das Erdgas in dem
verdichteten Erdgasstrom 104 reagiert mit einem Teil des
Sauerstoffpermeats, um einen Verbrennungsproduktstrom 88 zu
bilden, wie bereits zuvor erläutert
wurde.
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In 6 ist
eine alternative Ausführungsform
der Vorrichtung die unter Bezugnahme auf 5 erläutert wurde,
gezeigt, bei welcher ein Kohlendioxid enthaltendes Rauchgas vom
Strom 34 weiter geteilt wird, um einen weiteren Rauchgasstrom 108 zu
bilden. Der weitere Rauchgasstrom 108 wird mit einem Brennstoffstrom 103 vereint,
bevor in einem Verdichter 92 eine Verdichtung erfolgt.
Dies erhöht
den Massendurchfluss der Verbren nungsprodukte durch den Turboexpander 89,
wodurch dessen Leistungsabgabe gesteigert wird.
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In 7 ist
eine alternative Ausführungsform
gezeigt, bei welcher ein Hochdruckbrennstoffstrom 110, beispielsweise
Hochdruckerdgas, in einem Wärmetauscher 112 erwärmt wird
und in die Permeatseite 72 eines Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzers 68''' eingeleitet
wird. Der Verbrennungsproduktstrom 113 wird von der Permeatseite 72''' des
Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzers 68''' abgezogen
und wird dann in den Wärmetauscher 112 geleitet,
um den einströmenden
Hochdruckbrennstoffstrom 110 zu erwärmen. Der Verbrennungsproduktstrom 113 kann
dann innerhalb eines Kondensators 114 gekühlt werden, um
in dem Verbrennungsproduktstrom 113 vorhandenes Wasser
zu kondensieren. Nach einer Abtrennung des Wassers in einem Behälter 117 wird
ein Kohlendioxid enthaltender Strom 118 gebildet, der einem
verdichteten Produktstrom 36a zugefügt werden kann, welcher anschließend in
dem stromab ablaufenden Verfahren verwendet werden kann oder der
zwecks einer CO2-Maskierung verdichtet werden
kann. Der verdichtete Produktstrom 36a wird gebildet, indem
der Wassergehalt des Produktstroms 36 in einem Kondensator 120 kondensiert wird.
Das kondensierte Wasser wird in einen Separatorbehälter 121 entfernt
und ein Verdichtet 122 verdichtet den Produktstrom 36,
um so den verdichteten Produktstrom 36a zu bilden. Der
verdichtete Produktstrom wird ausreichend verdichtet, um einen Druck
zu haben, der zumindest nahe dem Maskierungsdruck liegt.
-
Die
nachstehende Tabelle zeigt die Leistung von verschiedenen berechneten
Beispielen unter Verwendung der in den 1 bis 5 gezeigten
Schemata im Vergleich zu konventionellen luftbefeuerten Systemen,
bei welchen eine Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennung benutzt wird,
in welcher extern zugeführter
Sauerstoff verwendet wird. Die Ergebnisse zeigen, dass der Betrieb
des Systems bei höheren
Luftdrücken,
die durch die Turbine 54 erzeugte Energie erhöht. Wenn
ein Sauerstofftransportmembran-Verbrennungserhitzer eingesetzt wird,
wie er durch das Bezugszeichen 68 bezeichnet ist, ermöglicht das
Vermögen
der Sauerstofftransportmembran, Sauerstoff von einem Retentatstrom
bei einem niedrigeren Gesamtdruck zu einem reagierenden Strom bei
einem höheren
Gesamtdruck zu übertragen,
die Effizienz der Turbine 54 zu verbessern. Dies lässt sich
durch einen Vergleich der Ergebnisse für die 3 und 4 veranschaulichen.
Dieses Vermögen kann
ferner dazu benutzt werden, aus der Expansion der Verbrennungsprodukte
Energie zu gewinnen, falls die Permeatzone bei einem erhöhten Druck
betrieben wird (in dem Beispiel 12,4 bar (180 psia)). Dies führt zu einer
weiteren Steigerung der Energieerzeugung und der Systemeffizienz,
wie sich aus den Ergebnissen für 5 ergibt.
Insbesondere falls eine Nachrüstung
erfolgen soll, ist es bedeutsam, nicht die sich ergebende Nettoenergieausbeute
der nachgerüsteten
Einrichtung zu senken. Unter diesen Umständen muss man nur moderate
Nachteile hinsichtlich der Wärmeraten
für die
Maskierung des durch die Verbrennung erzeugten Kohlendioxids in
Kauf nehmen.
-
In
der Tabelle wurde von folgenden Voraussetzungen ausgegangen: adiabatischer
Wirkungsgrad des Kompressors und der Turbine 80%; Verdichtung mit
Zwischenkühlung,
Maskierungsdruck 103,4 bar (1500 psia); niedriger Gehalt an flüchtigen
Substanzen in der Kohle.
-
In
der Tabelle bedeutet die Abkürzung „HHV" einen hohen Heizwert.
Die Zeile „Energie
in Clausius-Rankine-Prozess MW" bezeichnet
die Energie in Megawatt, die erhalten wird, wenn der Boiler
2 benutzt wird,
um Wasserdampf für
einen Clausius-Rankine-Prozess zu erzeugen. Die Energie könnte wiederum
benutzt werden, um Elektrizität
zu erzeugen. Die Zeile „Energiegasturbinenzyklus
nach Luftverdichtung MW" bezeichnet
die Energie in Megawatt, abzüglich
der Energie, die von dem Luftverdichter verbraucht wird. Hierbei zeigt
der bezüglich
2 angegebene
negative Wert in dieser Zeile an, dass der Luftverdichter mehr Energie verbrauchte,
als von der Turbine erzeugt wurde. In der Zeile "Rauchgasverdichtung" ist die Energie angegeben, die beim
Verdichten des Kohlendioxid enthaltenen Rauchgasstromes verbraucht
wird, um diesen unterirdisch zu injizieren. Die Werte in der Zeile „Nettogesamtenergie" wurden bestimmt,
indem die durch den Clausius-Rankine-Prozess und die Turbine erzeugte Energie
addiert und die bei der Rauchgasverdichtung verbrauchte Energie
abgezogen wurde. In der Zeile „Heizrate" ist der gesamte
verbrauchte Brennstoff geteilt durch die erzeugte gesamte Nettoenergie
angegeben. Tabelle
| | Luftbefeuert | Rückführung von
mit Sauerstoff angereichertem Rauchgas |
| kryogen
zugeführter
O2 | FIG.
1 | FIG.
2 | FIG.
3 | FIG.
4 | FIG.
5 |
| Kohle
(HHV), MW (Mio. BTU/h) | 879,2 (3.000) | 820,6 (2.800) | 630,1 (2.150) | 542,2 (1.850) | 725,1 (2.472) | 717,4 (2.448) | 710,4 (2.424) |
| Erdgas
(HHV), MW (Mio. BTU/h) | | | 319,9 (1.078) | 319,9 (1.078) | 359,3 (1.226) | 378,9 (1.293) | 392,1 (1.338) |
| Gesamter
Brennstoff, MW (HHV) (Mio. BTU/h) | | | 949,0 (3.238) | 861,0 (2.938) | 1083,8 (3.698) | 1096,4 (3.741) | 1105,5 (3.772) |
| Sauerstoffverbrauch,
Mio m3/h (Mio. ft3/h) | | 173,0 (6.109) | 195,0 (6.888) | 174,8 (6.174) | 211,7 (7.478) | 214,1 (7.561) | 215,3 (7.602) |
| Prozentualer
Sauerstoffanteil im Rauchgas für
den Boiler (sauerstoffhaltiger Strom 52) | | 26.5 | 19.2 | 16.2 | 20.0 | 19.9 | 19,6 |
| Prozentanteil
an Rauchgas in dem ersten subsidiären Rauchgasstrom 46 | | | 100 | 100 | 14 | 14 | 14 |
| Temperatur
des Sauerstoff °C enthaltenden
Stroms 52 (°F) | | 148,9 (300) | 773,9 (1.425) | 982,2 (1.800) | 539,4 (1.030) | 539,4 (1.030) | 539,4 (1.030) |
| Einlasstemperatur
für °C Turbine 54 (°F) | | | 904,4 (1.660) | | 904,4 (1.660) | 904,4 (1.660) | 904,4 (1.660) |
| Druck
des erwärmten,
verdichteten Luftstroms 14 kPa (psia) | | | 413,7 (60) | 255,1 (37) | 1013,5 (147) | 1013,5 (147) | 1013,5 (147) |
| Energie
Clausius-Rankine-Prozess
MW | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 |
| Energie
Gasturbinenzyklus nach Luftverdichtung MW | | | 15 | (–38.5) | 66,6 | 80,1 | 89,1 |
| Energieverbrauch
Cryoanlage | | 50,9 | | | | | |
| Rauchgasverdichtung
MW | | 25 | 24,7 | 21,3 | 29,2 | 29,7 | 30,3 |
| Nettogesamtenergie
MW | | 224 | 290,7 | 240 | 337,4 | 350,4 | 358,8 |
| Heizrate
ohne Maskierung | 10.000 | 11.245 | 10.266 | 11.243 | 10.088 | 9.842 | 9.694 |
| Nettoheizrate
mit Maskierung | | 12.500 | 11.140 | 12.240 | 10.960 | 10.676 | 10.512 |
-
In
den Beispielen der 3 bis 5 liegt
der Verbrauch des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs relativ hoch
bei 87%. Senkt man die Sauerstoffverwendung ab, d. h. wird der Luftdurchfluss
erhöht,
steigen die Nettoenergieabgabe und der Wirkungsgrad des Systems.
Außerdem
waren die gewählten
Turbineneinlasstemperaturen sehr moderat. Ein zweiter sauerstoffbefeuerter
Verbrenner könnte
hinzugefügt
werden, um die Temperatur anzuheben und dadurch die Energieabgabe
und den Wirkungsgrad des Zyklus zu steigern.