DE112008001788T5 - Verfahren und Anlage zur kombinierten Erzeugung von elektrischer Energie und Wasser - Google Patents

Verfahren und Anlage zur kombinierten Erzeugung von elektrischer Energie und Wasser Download PDF

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Abstract

Verfahren zur kombinierten Erzeugung von Wasser und elektrischer Energie, wobei das Verfahren enthält:
Zuführen von im Wesentlichen reinem Sauerstoff und einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff in einem stöchiometrischen Verhältnis zu einem Verbrenner,
Verbrennen des zugeführten Sauerstoffs und Kohlenwasserstoffs zum Ausbilden eines Abgases bei vergleichsweise hoher Temperatur und Druck,
Durchleiten des Abgases bei der vergleichsweise hohen Temperatur und Druck zu einem Expander, welcher einen elektrischen Generator und einen Abgasverdichter antreibt,
Durchleiten des Abgases, welches aus dem Expander austritt, zu einem Abgaskühler, welcher das Gas auf eine Temperatur oberhalb der Dampfkondensationstemperatur abkühlt,
Durchleiten des Abgases, welches aus dem Abgaskühler austritt, zum Abgasverdichter zur Druckbeaufschlagung, und
Durchleiten des druckbeaufschlagten Abgases zu einem Abgas-Kondensierer, wobei das Abgas kondensiert wird und somit zu einem im Wesentlichen Reinwasser-Anteil und einem gasförmigen CO2-Anteil getrennt wird.

Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zur kombinierten Erzeugung von elektrischer Energie und Wasser.
  • Hintergrund
  • Eine ausreichende und zuverlässige Frischwasserversorgung ist zur selbstnachhaltigen Entwicklung notwendig. Jedoch ist bei vielen Regionen der Welt ein Zugang zu Frischwasser derzeit zunehmend bedenklich. Dies ist insbesondere der Fall bei der Versorgung von Frischwasser, welches als Trinkwasser geeignet ist, welches in einigen Regionen mit Verknappung verbunden ist. Eine weitere wichtige Notwendigkeit zur selbstnachhaltigen Entwicklung ist der Zugriff auf saubere Energie, wie beispielsweise elektrische Energie.
  • Viele Trockenregionen der Welt haben Zugriff auf Erdgas oder Öl. Eine stöchiometrische Verbrennung von Kohlenwasserstoff erzeugt H2O und CO2. Dies eröffnet eine kombinierte Lösung der Erzeugung von sowohl elektrischer Energie als auch Wasser in Wärmekraftanlagen, welche Kohlenwasserstoffe verbrennen.
  • Jedoch gestaltet es die vorliegende Sorge über die globale Erwärmung aufgrund der Emission von Treibhausgasen vorteilhaft/notwendig, das Problem hinsichtlich von CO2-Emissionen anzugehen, wenn fossile Kohlenwasserstoffe verbrannt werden.
  • Stand der Technik
  • Clean Energie Systems Inc. hat den Bau von Energieanlagen, basierend auf der Verbrennung von reinem kohlehaltigen Brennstoff beim Vorliegen von reinem Sauerstoff und Wasser vorgeschlagen, welches zur Erzeugung von einem Hochenergiegas bei einer hohen Temperatur und Druck, welches lediglich Wasser und CO2 enthält, in einem Typ eines Gasgenerators führt, welcher Oxyfuel-Generator genannt wird. Die thermische und mechanische Energie in diesem Gas kann dazu verwendet werden, um beispielsweise elektrische Energie in herkömmlichen dampfbetriebenen Mehrfachstufen-Turbinen zu erzeugen. Nachdem die nützliche Energie in dem Gas aus dem Oxyfuel-Generator in elektrische Energie umgewandelt ist, kann die relativ kalte Gasmischung aus Dampf und CO2 einfach durch Abkühlung getrennt werden, bis der Dampf zu flüssigem Wasser kondensiert ist. Die resultierende Gasphase enthält reines CO2, welches zur Druckbeaufschlagung und Ablagerung bereit ist.
  • Diese Technologie ist detailliert beschrieben und geschützt durch eine Anzahl von Patenten. Siehe beispielsweise US 5 724 805 , US 5 956 937 , US 6 389 814 , US 6 598 398 oder WO 2005/100754 .
  • Es gibt jedoch ein Problem hinsichtlich dessen, dass das Einfangen von Kohlenstoff und die Absonderung von den Abgasen von den Wärmekraftanlagen eine wesentliche Energiemenge erfordert, und somit relativ teuer sind. Es ist daher eine Notwendigkeit nach energieeffizienteren Wärmekraftanlagen mit einer Kohlenstoff-Einfangung und -Absonderung gegeben.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist eine Hauptaufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine Anlage zur kombinierten Erzeugung von Elektrizität und Wasser bereitzustellen, und welche das erzeugte CO2 einfängt.
  • Es ist eine weitere Aufgabe, ein energieeffizientes Verfahren und eine Anlage zur kombinierten Erzeugung von Elektrizität und Wasser, und welche das erzeugte CO2 einfängt, zu erlangen.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch die in der folgenden Beschreibung von der Erfindung und/oder anliegenden Ansprüchen dargelegten Merkmale gelöst.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung basiert auf der Realisation, dass durch Druckbeaufschlagung des Abgases vor der Kondensierung die Verdampfungswärme derart reduziert wird, dass eine höhere Kondensierungstemperatur verwendet werden kann, welches abermals eine erhöhte Ausnutzung des Wärmegehaltes des Abgases, durch Bereitstellung eines Kühlmediums mit einer höheren Exergie, erlaubt.
  • Somit bezieht sich die Erfindung in einem ersten Aspekt auf ein Verfahren zur kombinierten Erzeugung von Wasser und elektrischer Energie, welches enthält:
    Zuführen von im Wesentlichen reinem Sauerstoff und einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff in einem stöchiometrischen Verhältnis zu einem Verbrenner,
    Verbrennen des zugeführten Sauerstoffs und Kohlenwasserstoffs zum Ausbilden eines Abgases bei vergleichsweise hoher Temperatur und Druck,
    Durchleiten des Abgases bei hoher Temperatur und Druck zu einem Expander, welcher einen elektrischen Generator und einen Abgasverdichter antreibt,
    Durchleiten des Abgases, welches aus den Expander austritt, zu einem Abgaskühler, welcher das Gas auf eine Temperatur oberhalb der Dampfkondensationstemperatur abkühlt,
    Durchleiten des Abgases, welches aus dem Abgaskühler austritt, zum Abgasverdichter zur Druckbeaufschlagung, und
    Durchleiten des druckbeaufschlagten Abgases zu einem Abgas-Kondensierer, wobei das Abgas kondensiert wird und somit zu einem im Wesentlichen Reinwasser-Anteil und einem gasförmigen CO2-Anteil getrennt wird.
  • Der Ausdruck „im Wesentlichen reiner Sauerstoff”, wie hier verwendet, bedeutet ein so rein wie mögliches Sauerstoffgas oder flüssiger Sauerstoff, welcher als Sauerstoff zur Zuführung zu dem Verbrenner verwendet wird. Das Verfahren gemäß der Erfindung wird mit mehr oder weniger angereicherten Sauerstoffphasen als Sauerstoffzufuhr zu dem Verbrenner wirken, jedoch ist es vorteilhaft, dass die Sauerstoffversorgung eine so rein wie mögliche Sauerstoffphase ist, um die Ausbildung von ungewünschten Verbrennungsprodukten in dem Abgas, wie beispielsweise NOx usw., zu vermeiden. Das Gleiche gilt bei der Kohlenwasserstoffzuführung. Die Erfindung wird mit jedem Typ von Kohlenwasserstoffzufuhr von verschiedenen Reinheitsgraden wirken, jedoch ist es vorteilhaft, einen so rein wie möglichen Kohlenwasserstoff zu verwenden, um lediglich Wasser und Kohlendioxid in dem Verbrennungsverfahren auszubilden und somit die Notwendigkeit nach Gasabschneidern, Gaszyklonen und weiteren herkömmlichen Abgasreinigungsmitteln in Zusammenhang mit Wärmekraftanlagen, basierend auf der Verbrennung von kohlehaltigen Brennstoffen, zu vermeiden.
  • Die Sauerstoffzufuhr kann vorteilhafterweise durch die Verwendung von einer Lufttrenneinheit erlangt werden. Mit dem Ausdruck „Lufttrenneinheit” ist jegliche Einheit oder Vorrichtung gemeint, welche dazu in der Lage ist, atmosphärische Luft in einen im Wesentlichen reinen Sauerstoff-Anteil und einen Rest-Anteil zu trennen. Diese Einheit kann eine kryogenische Lufttrenneinheit oder nicht-kryogenische Lufttrennverfahren, wie beispielsweise eine Druckwechselabsorption, eine Vakuumdruckwechselabsorption, oder eine Membran-Separation, sein. Jedoch kann bei der Erfindung eine jegliche vorliegende und in Zukunft erzielbare Lufttrenneinheit angewendet werden, welche dazu in der Lage ist, eine ausreichende Sauerstoffzufuhr bereitzustellen, welche notwendig ist, um den Verbrennungsprozess bei stöchiometrischen Bedingungen zu fahren. Die Lufttrenneinheit kann vorteilhafterweise dazu in der Lage sein, den Rest-Anteil in einen im Wesentlichen reinen Flüssigstickstoff-Anteil und möglicherweise ebenfalls im Wesentlichen reine Anteile von Edelgasen, welche in der atmosphärischen Luft vorliegen, zu trennen.
  • Dies wird dem Verfahren gemäß der Erfindung eine erhöhte Wirtschaftlichkeit geben, indem mehrere Produkte, welche zum Verkauf stehen, bereitgestellt werden.
  • Das Merkmal des Durchleitens des Abgases, welches aus dem Abgaskühler austritt, zu einem Abgasverdichter zur Druckbeaufschlagung vor der Kondensierung des Wassergehaltes in dem Abgas-Kondensierer stellt mehrere Vorteile bereit.
  • Ein Vorteil liegt darin, dass die Kondensierung bei einer höheren Temperatur stattfindet (aufgrund des erhöhten Drucks), und somit eine Extraktion von Energie zu dem Kühlmedium, welches zu dem Abgas-Kondensierer und dem Abgas-Kühler fließt, bei einem höheren Pegel (höhere Exergie) erlaubt. Diese höhere Exergie kompensiert mehr als den Energieverbrauch, welcher dazu verwendet wird, um das Abgas vor dem Kondensieren zu komprimieren, so dass die Gesamteffizienz zunimmt. Dies kann anhand einer Vergleichsrechnung der elektrischen Energie, welche extrahiert werden kann, indem eine sekundäre Dampfturbine mit einem Generator in der Kühlmediumschaltung, im Falle einer druckbeaufschlagten Kondensierung, platziert werden, und einer herkömmlichen, nicht mit Druck beaufschlagte Kondensierung erkannt werden. In beiden Beispielen sind die folgenden Annahmen gemacht: Das vom Verdichter im primären Gasturbinenzug extrahierte Abgas wird bei 500°C, 60 bar sein und hat etwa 50 Mol-% H2O und 50 Mol-% CO2. Die polytrope Energieeffizienz der sekundären Dampfturbine, welche den elektrischen Generator enthält, wird bei 80% angenommen, der verbleibende Wassergehalt in dem Abgas nach der Kondensierung beträgt 4% und die Temperatur des Abgases nach der Kondensierung/Neukompression beträgt 114°C bei 60 bar. Bei beiden Berechnungen ist der Massenfluss auf 1 kg/s eingestellt. Dann, wenn das Abgas direkt von dem primären Expander bei einem Druck von 60 bar gekühlt wird und sämtliche Exergie des Kühlmediums des Kondensierers in einer zweiten Dampfturbine ausgenutzt wird, um elektrische Energie zu erzeugen, können 366 kW erlangt werden. Alternativ, wenn es ermöglicht wird, dass das Abgas, welches die primäre Dampfturbine verlässt (500°C, 60 bar), vor der Kondensierung des Wassers auf 1 bar expandiert wird (gefolgt durch eine Kompression der CO2-Phase nach der Kondensierung auf 60 bar und ein Kühlen derer auf 114°C, um ähnliche Austrittszustände wie in dem Vergleichsbeispiel zu erstellen), beträgt die elektrische Nutzenergie von dem Prozess (Kühlschaltungs-Expander + Abgas-Expander – CO2-Verdichter) gleich 313 kW. Somit ermöglicht es die Kondensierung bei 60 bar, 17% mehr Elektrizität aus dem Kondensierungsprozess zu extrahieren, und zwar verglichen mit der Kondensierung des Abgases bei atmosphärischem Druck.
  • Ein weiterer Vorteil der mit Druck beaufschlagten Kondensierung liegt darin, dass die Gasflussvolumina stromabwärts der Abgasextraktion wesentlich niedriger sein werden, da der Volumenfluss eines gasförmigen Mediums invers proportional zum Druck des Gases ist. Dies ermöglicht die Verwendung eines Prozess-Equipments mit vergleichsweise kleinerem Querschnittsbereich. Ebenfalls ist die relativ höhere Temperatur des komprimierten Abgases dahin gehend vorteilhaft, dass sie die Verwendung einer höheren Temperaturdifferenz (Pinch-Temperatur) in dem Wärmetauscher erlaubt, und somit die Verwendung von Wärmetauschern mit kleineren Ausmaßen erlaubt.
  • Ein weiterer Vorteil der Druckbeaufschlagung des Abgases liegt darin, dass sie eine komprimierte CO2-Phase nach der Kondensierung ergibt, welches zu einer ähnlichen Reduktion in der Notwendigkeit für ein weiteres Kompressions-Equipment und eines Energieverbrauchs vor der Endverwendung oder der Absonderung des CO2-Gases führt. Beispielsweise kann sie eine Wechselverwendung von einem oder mehreren Verdichtern in der Exportleitung für das CO2-Gas erlauben. Ebenfalls stellt die komprimierte Kondensierung einen Vorteil dahin gehend bereit, dass die CO2-Phase trockener wird, wobei dies für weitere Anwendungen des CO2-Gases wichtig sein kann. Beispielsweise, bei 30°C, wird eine Kondensierung bei atmosphärischem Druck etwa 4% Wasser in der Gasphase hinterlassen, während der Wasserrest bei 60 bar lediglich 0,07% beträgt.
  • Der Verbrennungsprozess kann vorteilhafterweise durch Einführen von Wasser und/oder recyceltem CO2/Dampf für den Verdichter gesteuert bzw. gekühlt werden. In dieser Ausführungsform wird die Erfindung ein Durchleiten eines Teildampfes von dem Abgas-Verdichter zu dem Verbrenner und/oder ein Durchleiten von Wasser von der Wasser-Ausgabeleitung von dem Abgas-Kondensierer zum Verbrenner enthalten.
  • In einem zweiten Aspekt kann das Verfahren gemäß der Erfindung ein Unterteilen der Abgas-Komprimierung in zwei Stufen und ein Platzieren eines Zwischenkühlers zur Teilkondensierung des Wassergehaltes des Abgases zwischen dem ersten und zweiten Abgas-Verdichter enthalten. Diese Ausführungsform erlangt eine Reduktion der Gesamtarbeits-Komprimierung aufgrund eines reduzierten Massenflusses in dem Stromabwärts-Verdichter. Ebenfalls eröffnet die Zwischenkühlung/Kondensierung die Möglichkeit der Regulierung des CO2/H2O-Verhältnisses des Gases, welches im Verbrenner recycelt wird. Dieses Merkmal erlaubt eine bessere Stabilität und Steuerung der Beschaffenheit des Abgases, welches zur Verbrennungskammer recycelt wird, und reduziert somit die Möglichkeit eines Off-Entwurf-Betriebes des Verbrennungsprozesses. Dies erlaubt eine Optimierung der Energie-Ökonomie der Energieanlage, da die Extraktionsrate des Wassers und die Erwärmung (aufgrund der Komprimierungsarbeit) des Abgases aufgrund der Energie optimiert werden können, welche zur Komprimierung und Wiedererlangung der thermischen Energie des Abgases notwendig ist.
  • Der Ausdruck „Verbrenner”, wie hier verwendet, bedeutet ein jeglicher Typ eines chemischen Reaktors, welcher dazu in der Lage ist, eine kontinuierliche Verbrennung von Kohlenwasserstoff aufrecht zu erhalten, welcher in einer Atmosphäre reinen Sauerstoffs zugeführt wird.
  • Der Ausdruck „Expander”, wie hier verwendet, bedeutet jegliche Vorrichtung, welche eine Energie von dem Hochtemperatur- und Hochdruck-Abgas extrahieren kann und sie in mechanische Energie umwandelt. Dies kann bei Mehrfachstufen-Turbinen vorteilhaft sein, jedoch ist die Erfindung auf diese Auswahl nicht beschränkt. Eine jegliche derzeitige und zukünftig erlangbare Vorrichtung zum Extrahieren des Energiegehaltes aus dem Abgas und Umwandeln derer in mechanische Energie kann verwendet werden.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur kombinierten Erzeugung von Wasser und elektrischer Energie, welche enthält:
    eine Quelle reinen Sauerstoffs,
    eine Quelle eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs,
    einen Verbrenner, welchem der reine Sauerstoff und der Kohlenwasserstoff-Brennstoff zugeführt wird,
    einen Expander, welcher einen elektrischen Generator und einen Gas-Verdichter antreibt,
    ein Element zum Durchleiten des Abgases, welches aus dem Verbrenner austritt, zum Expander,
    einen Abgas-Kühler,
    ein Element zum Durchleiten des Abgases, welches aus dem Expander austritt, zum Abgas-Kühler,
    ein Element zum Befördern des Abgases, welches aus dem Abgas-Kühler austritt, zum Verdichter,
    einen Abgas-Kondensierer,
    ein Element zum Durchleiten des mit Druck beaufschlagten Abgases, welches aus dem Verdichter austritt, zum Abgas-Kondensierer,
    ein Mittel zum Zuführen eines Kühlmediums zum Abgas-Kondensierer und Abgas-Kühler, und
    ein Element zum jeweils separaten Wiedererlangen des gasförmigen CO2-Anteils und des Wasser-Anteils aus dem Abgas-Kondensierer.
  • Zusätzlich zu den oben angegebenen Elementen und Prozess-Equipment kann die Anlage optional ebenfalls ein Element zum Extrahieren des Wärmegehaltes in dem Kühlmedium, welches dem Abgas-Kühler und dem Abgas-Kondensierer zugeführt wird, und Umwandeln der Energie in elektrische Energie enthalten. Diese Elemente können beispielsweise ein Expander in der Kühlschaltung, welcher einen zweiten elektrischen Generator antreibt, um die Exergie des Kühlmediums auszunutzen, sein. Die Kühlschaltung kann vorteilhafterweise in einen Tieftemperatur-Teil zum Zuführen eines Kühlmediums zum Abgas-Kondensierer und ersten Wärmetauscher des Abgas-Kühlers, einen mittleren Hochtemperatur-Teil, welcher ein zwischenerwärmtes Kühlmedium zu einem zweiten Wärmetauscher stromabwärts des ersten Wärmetauschers im Abgas-Kühler zuführt, und einen Hochtemperatur-Teil, welcher ein maximal erwärmtes Kühlmedium zum Kühlschaltungs-Expander zuführt, unterteilt werden.
  • Der Verbrennungsprozess im Verbrenner kann vorteilhafterweise durch Einführen von Wasser und/oder recyceltem CO2/Dampf vom Verdichter gesteuert bzw. gekühlt werden. In dieser Ausführungsform wird die Anlage zusätzlich ein Element zum Durchleiten des Abgases vom Abgas-Verdichter zum Verbrenner und/oder ein Element zum Durchleiten von Wasser von der Wasser-Austrittsleitung vom Abgas-Kondensierer zum Verbrenner enthalten.
  • Ein kontinuierlicher Betrieb der Erfindung erfordert einen Zugriff auf eine Wärmesenke, um ein Kühlen/Kondensieren des Abgases zu erlangen. Die Verfügbarkeit von Kühlwasser bestimmt, welche Senke verwendet wird. Im Falle eines Zugriffs auf Kühlwasser kann die Wärmesenke ein Wärmetauscher (20) sein, welchem externes Kühlwasser (26) zugeführt wird. Jedoch kann im Falle der Ermangelung einer ausreichenden Versorgung von Kühlwasser beispielsweise ein Kühlturm verwendet werden.
  • Als eine Alternative zur Umwandlung der Wärmeenergie des Abgases in elektrische Energie, können ein oder beide der elektrischen Generatoren (8, 21) ausgelassen werden und können die entsprechenden Expander (7) und (19) jeweils dazu verwendet werden, um mechanische Energie bereitzustellen.
  • Die Erfindung hat den Vorteil, dass sie eine gleichzeitige Erzeugung von elektrischer Energie und Wasser in einer umgebungsfreundlichen Art und Weise erlaubt. Die Ausbildung von NOx ist praktisch beseitigt, da der Verbrennungsprozess in einer Atmosphäre von im Wesentlichen reinen Sauerstoff oder alternativ mit der Hinzufügung von etwas Wasser und CO2 stattfindet. Lediglich der Stickstoff, welcher der Verbrennungszone zugeführt wird, ist ein eventuell stickstoffhaltiger Schadstoff in der Kohlenwasserstoff-Zufuhr. Das Gleiche gilt für eventuell weitere bekannte Schadstoffe, wie beispielsweise Schwefelverbindungen, usw. Ein weiterer Umgebungsvorteil liegt darin, dass der Prozess einen im Wesentlichen reinen Anteil von CO2 gibt. Dies gestaltet es relativ einfach, das CO2-Gas zur Absonderung und/oder zum Verkauf für industrielle Zwecke zu komprimieren oder zu behandeln. Das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung stellt im Wesentlichen reine und separate CO2- und Wasser-Produkte bereit. Der CO2-Anteil kann dem Markt zum Kauf angeboten werden oder kann zu einer Salz-Wasserschicht, einer geologischen Formation, usw. zur Absonderung transportiert werden.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die Erfindung wird mittels Beispiele von Ausführungsformen der Erfindung detaillierter beschrieben. Diese Beispiele sollten nicht als das allgemeine erfindungsgemäße Konzept der gleichzeitigen Erzeugung von elektrischer Energie und Wasser durch stöchiometrische Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in einer Atmosphäre reinen Sauerstoffs und eines darauffolgenden Druckbeaufschlagens einer Kondensierung des Abgases beschränkend interpretiert werden.
  • Beispiel-Ausführungsform 1
  • Diese Ausführungsform ist eine Anlage mit Zugriff auf Kühlwasser, so dass die notwendige Regeneration des Kühlmediums einfach erlangt werden kann, indem das Kühlmedium durch einen Wärmetauscher durchleitet wird, und der hinzugefügte Wärmegehalt des Kühlmediums mit dem Kühlwasser ausgetauscht wird. Die Ausführungsform verwendet einen zweiten Expander und elektrischen Generator zur Umwandlung der Exergie des Kühlmediums in elektrische Energie, wobei dieses Produktion als sekundäre Elektrizitäts-Produktion bezeichnet wird. Ferner verwendet die Ausführungsform eine Lufttrenneinheit für eine Sauerstoffzufuhr und eine Mehrfachstufen-Gasturbine als Expander, und zwar sowohl in der primären als auch in der sekundären Elektrizitäts-Produktion.
  • Die beispielhafte Ausführungsform ist schematisch in 1 angezeigt und enthält:
    eine Luftversorgungsleitung 1 in Verbindung mit einer Lufttrenneinheit 2 zum Trennen der Luftversorgung in einen Sauerstoff-Anteil und in einen Rest-Anteil,
    einen Verbrenner 5,
    ein Element 3 zum Zuführen des Sauerstoff-Anteils zum Verbrenner 5,
    ein Element 4 zum Extrahieren des Rest-Anteils von der Lufttrenneinheit 2,
    ein Element zum Durchleiten einer Kohlenwasserstoffversorgung 6 in einem stöchiometrischen Verhältnis der Sauerstoff-Zufuhr 3 zum Verbrenner 5,
    einen Expander 7, welcher einen Generator 8 und einen Verdichter 9 antreibt,
    ein Element 10 zum Durchleiten des Abgases, welches den Verbrenner 5 verlässt, zum Expander 7,
    ein Element 17 zum Durchleiten eines Anteils eines mit Druck beaufschlagten Abgases vom Verdichter 9 zum Verbrenner 5,
    einen Abgas-Kühler 11,
    ein Element 12 zum Durchleiten des Abgases, welches den Expander 7 verlässt, zum Abgas-Kühler 11,
    ein Element 13 zum Durchleiten des Abgases, welches aus dem Abgas-Kühler 11 austritt, zum Verdichter 9,
    einen Abgas-Kondensierer 14,
    ein Element 18 zum Durchleiten des mit Druck beaufschlagten Abgases, welches aus dem Verdichter 9 austritt, zum Abgas-Kondensierer 14,
    ein Element 16 zum Extrahieren von erzeugtem Wasser aus dem Abgas-Kondensierer 14,
    ein Element 18, 28, 29 zum Extrahieren und weiteren Komprimieren von CO2 aus dem Abgas-Kondensierer 14,
    und eine Kühlschaltung, welche enthält:
    eine Niedrigtemperatur-Pipeline 24 mit einer Pumpe 25, welche ein regeneriertes Kühlmedium von der Pumpe 25 zum Abgas-Kondensierer 14 und Abgas-Kühler 11 durchleitet,
    eine Pipeline 24a, welche ein Mittel erwärmtes Kühlmedium vom Abgas-Kondensierer 14 zum Abgas-Kühler 11 durchleitet,
    einen Kühlschaltungs-Expander 19,
    eine Pipeline 24b, welche ein stark erwärmtes Kühlmedium von dem Abgas-Kühler 11 zum Kühlschaltungs-Expander 19 durchleitet,
    einen Generator 21 zum Erzeugen von elektrischer Energie,
    einen Wärmetauscher 20 in Verbindung mit einer Quelle mit Kühlwasser 26, 27,
    eine Pipeline 22, welche das Kühlmedium von dem Kühlschaltungs-Expander 19 zum Wärmetauscher 20 durchleitet, und
    eine Pipeline 23, welche regeneriertes Kühlmedium zur Pumpe 25 durchleitet.
  • Die Anlage gemäß dieser Ausführungsform arbeitet wie folgt: Luft wird in die Lufttrenneinheit 2 angesaugt und in einen reinen Sauerstoffanteil und einen Rest-Anteil, welcher im Wesentlichen Stickstoffgas und Edelgase enthält, getrennt. Der reine Sauerstoffanteil wird in den Verbrenner 5 in einem stöchiometrischen Verhältnis einer Kohlenwasserstoff-Zufuhr transportiert. Der Verbrennungsprozess wird durch ein Recyceln eines gewissen Anteils des Abgases (welches im Wesentlichen CO2 und H2O enthält), über eine Pipeline 17 gesteuert. Das Abgas, welches aus dem Verbrenner 5 austritt, wird typischerweise eine Temperatur von 1000 bis 1500°C und einen Druck von etwa 30 bis 60 bar haben, und zwar in Abhängigkeit von der Wärmetoleranz der Turbine, welche als Expander 7 verwendet wird. Nach dem Durchleiten durch den Expander 7 wird das Abgas typischerweise etwa 500°C und 1 bar haben. Dieser Teil von der Anlage kann als die primäre Elektrizitäts-Erzeugung angesehen werden.
  • Der Wärmegehalt des Abgases wird dann unter Verwendung eines Wärmeaustausches mit dem Kühlmedium im Abgas-Kühler 11 extrahiert, in dieser beispielhaften Ausführungsform werden zwei Wärmetauscher verwendet, welche in Serie arbeiten, so dass das Abgas nach dem Durchleiten durch den ersten Wärmetauscher auf etwa 400°C gekühlt ist und einen Druck von etwa 1 bar hat, und dass das Abgas nach dem Durchleiten durch den zweiten Wärmetauscher auf etwa 100°C gekühlt ist und einen Druck von etwa 1 bar hat. Das Kühlmedium, welches aus dem zweiten Wärmetauscher des Abgas-Kühlers 11 austritt, hat eine Temperatur von etwa 450°C und einen Druck von etwa 45 bar.
  • Das Abgas, welches aus dem Kühler 11 austritt, wird an den Abgas-Verdichter 9 gesendet, wo es auf einen Druck von 60 bar und eine Temperatur von etwa 400°C komprimiert wird. Ein Anteil des komprimierten Abgases wird in den Verbrenner zum Regulieren des Verbrennungsprozesses injiziert, während der restliche Anteil des komprimierten Abgases an den Abgas-Kondensierer 14 gesendet wird, um das Abgas in einen Flüssigwasser-Anteil und eine CO2-Gas-Phase zu trennen. Die Kondensierung wird durch Kühlen des komprimierten Abgases auf etwa 50°C durch Wärmeaustausch des Abgases mit einem Kühlmedium in dem Kondensierer erlangt. Das Kühlmedium tritt in den Kondensierer-Wärmetauscher bei einer Temperatur von etwa 20°C ein und tritt bei etwa 150°C aus und wird dann zum zweiten Wärmetauscher des Abgas-Kühlers 11 durchleitet.
  • Wie bereits erwähnt, hat das Kühlmedium, welches aus dem Abgas-Kühler 11 austritt, eine Temperatur von etwa 450°C und einen Druck von etwa 45 bar. Das erwärmte Kühlmedium wird durch einen Expander 19 in der Form von einer Mehrfachstufen-Gasturbine durchleitet, wo es auf eine Temperatur von etwa 45°C und einen Druck von etwa 0,003 bar gekühlt und expandiert wird. Dann wird der Kühlkreis geschlossen, indem das Kühlmedium durch einen Wärmeaustauscher 20 durchleitet wird, wo es auf einen Zustand gekühlt und kondensiert wird, bei welchem es eine Temperatur von etwa 20°C und einen Druck von etwa 0,03 bar hat.
  • Unter der Annahme einer Zufuhrrate von 1 kg/s von Methangas und unter der Annahme einer polytrophen Energieeffizienz der Mehrfachstufen-Turbinen, welche einen elektrischen Generator von 90% enthalten, beträgt ein restlicher Wassergehalt in dem Abgas nach dem Kondensieren gleich 0,4%, wobei diese beispielhafte Ausführungsform von der Erfindung etwa 17 kW/h elektrischer Energie im primären Generator 8 und etwa 9 kW/h elektrischer Energie im sekundären Generator 21 erzeugen wird. Der Prozess wird etwa 2,25 kg/s Wasser und etwa 2,75 kg/s CO2 erzeugen.
  • Beispiel-Ausführungsform 2
  • Diese beispielhafte Ausführungsform ist zur Verwendung in Fällen entworfen, bei welchen kein Kühlwasser vorliegt. Dann kann die Regeneration des Kühlmediums unter Verwendung eines Kühlturms erlangt werden, so dass das Kühlmedium auf etwa 30°C gekühlt wird, indem es im Gegenfluss eines durchziehenden Luftstroms im Kühlturm durchleitet wird, anstelle der Verwendung eines Wärmetauschers 20 mit einem Kühlwasser-Einlass 26 und -Auslass 27. Andererseits ist die beispielhafte Ausführungsform 2 gleich der beispielhaften Ausführungsform 1 und ist schematisch in 2 angegeben.
  • Diese beispielhafte Ausführungsform von der Erfindung ist zur Verwendung in Trockengebieten mit Zugriff auf Erdgas geeignet und kann die Beanspruchung einer Frischwasserzufuhr in vielen Regionen beträchtlich mildern, da sie kein Wasser als Kühlflüssigkeit erfordert, wobei sie jedoch ebenfalls Wasser erzeugt. Beispielsweise wird eine typische Anlage von 250 MW erzeugter Elektrizität typischerweise mit etwa 10 kg Erdgas pro Sekunde versorgt, welches eine Wassererzeugung von etwa 22,5 kg Wasser pro Sekunde ergeben wird, welches ausreichend rein ist, um auf Trinkwasserqualität unter Verwendung von herkömmlichen kommunalen Wasserbehandlungsprozessen heraufgestuft zu werden.
  • Beispiel-Ausführungsform 3
  • Diese beispielhafte Ausführungsform ist zur Verwendung bei Hochsee-Öl- und Gas-Förderanlagen optimiert, welche Wärme, elektrische Energie und Frischwasser zum Verarbeiten des Öls und Gases und zur Aufrechterhaltung der Arbeitskraft an Bord erfordern. Hochsee-Förderanlagen haben typischerweise mehrere installierte Reinigungssysteme für das an Bord verwendete Frischwasser, welche das Wasser, welches durch den Prozess gemäß der Erfindung ausgebildet wird, leicht heraufstufen können. Diese beispielhafte Ausführungsform ist sehr geeignet zur Verwendung an Bord dieser Förderanlagen, da die vorliegende Erfindung die Hochsee-Förderanlagen selbst ausreichend mit Energie und Frischwasser gestalten kann. Zusätzlich kann der restliche Luft-Anteil 4 als Druckunterstützung in einem Reservoir ausgenutzt werden, indem er in der Erdformation zusammen mit dem CO2 abgelagert wird. In dieser Ausführungsform wird die Erfindung einen Zugriff auf Seewasser als Kühlflüssigkeit haben.
  • Die beispielhafte Ausführungsform 3 ist ähnlich der beispielhaften Ausführungsform 1, mit der Ausnahme, dass die Kühlung des Abgas-Kondensierers 14 und des Abgas-Kühlers 11 durch separate Kühlkreise erlangt wird. Die beispielhafte Ausführungsform ist schematisch in 3 angezeigt.
  • Die Kühlung des Abgas-Kondensierers 14 wird durch Verwendung eines Wärmeaustausches mit Seewasser in einem separaten Kühlkreis erlangt, wo sie Wasser aus der See unter Verwendung von einer Pumpe 25 extrahiert wird und durch den Wärmetauscher im Abgas-Kondensierer 14 gefördert wird, und dann durch eine Pipeline 24 zurück in den Ozean injiziert wird.
  • Die Kühlung des Abgas-Kühlers 11 wird durchein Extrahieren von relativ kaltem Wasser von dem Heißflüssigkeits-System an Bord der Hochsee-Förderanlage durch eine Pipeline 30, Durchleiten des Wassers durch den bzw. die Wärmetauscher im Abgas-Kühler 11, und ein Durchleiten des erwärmten Wassers zum Heißflüssigkeits-System durch eine Pipeline 31 erlangt. In dieser Ausführungsform wird die Exergie von der Kühlflüssigkeit somit dazu verwendet, um der Hochsee-Förderanlage Heißwasser bereitzustellen, anstelle von elektrischer Energie zu erzeugen.
  • Ein weiterer Unterschied hinsichtlich der beispielhaften Ausführungsformen 1 und 2 liegt darin, dass die Pipeline 4 für die restliche Luft (hauptsächlich Stickstoff) von der Lufttrenneinheit 2 mit einem Verdichter 28 zur Verwendung des Edelgases als Druckerhöher im Öl-/Gas-Reservoir verbunden ist. 1 kg Methan erfordert etwa 4 kg O2, wenn in einem stöchiometrischen Verhältnis verbrannt, und erzeugt etwa 2,75 kg CO2. Die Lufttrenneinheit erzeugt etwa 3,3 kg restlicher Luft für jedes Kilogramm an Sauerstoff, so dass die Gesamtmenge von Edelgas (restliche Luft und CO2), welche in das Reservoir für jedes Kilogramm an verbranntem Methan eingeführt werden kann, etwa 15,9 kg betragen wird. Unter der Annahme von gleicher Temperatur und Druck von extrahiertem Methan und dem injizierten Edelgas, und dass das ideale Gasgesetz gilt, kann jede Volumeneinheit von Methan, welches aus dem Reservoir entzogen wird, etwa 9 Volumeneinheiten von Edelgas erzeugen.
  • Beispiel-Ausführungsform 4
  • Diese beispielhafte Ausführungsform enthält die Verwendung eines Zwischenkühlers im Verdichter 9 zur teilweisen Kondensierung des Wassergehaltes des Abgases. In diesem Fall ist der Verdichter 9 in zwei Verdichtungsstufen unterteilt, wobei der Zwischenkühler und der Kondensierer zwischen der ersten und zweiten Verdichtungsstufe vorliegen. Diese beispielhafte Ausführungsform erlangt eine Reduktion der Gesamtarbeits-Verdichtung aufgrund eines reduzierten Massenflusses in den stromabwärts liegenden Verdichtern. Zusätzlich eröffnet sie die Möglichkeit, das CO2/H2O-Verhältnis des Gases, welches im Verbrenner recycelt wird, und somit des Arbeitsmediums für den gesamten primären Energieprozess.
  • Diese beispielhafte Ausführungsform ist schematisch in 4 angegeben. In dieser Ausführungsform ist der Verdichter 9 in zwei Stufen 9a und 9b unterteilt, wobei der Kondensierer 14a dazwischen platziert ist. Das Kondensat wird dem Strom 16a entnommen. Der Kondensierer wird durch ein Kühlmedium auf etwa 20°C, welches aus einer Pipeline 24 entnommen wird, gekühlt, und das Kühlmedium wird im Kondensierer 14b auf etwa 100°C erwärmt und dann an den Expander 19 weitergeleitet.
  • Ein rotierendes Maschinenteil, wie beispielsweise Gasturbinenzüge, benötigen normalerweise zur Entwicklung wesentlich viel Zeit und Ressourcen. Es kann daher sehr kostspielig sein, diese Art von Equipment-Elementen für Gaszusammensetzungen zu entwickeln, welche Eigenschaften haben, welche sehr weit von derzeit angewendeten Gasen (normalerweise dominiert durch Luft) entfernt sind. Somit kann es vorteilhaft sein, die Möglichkeit zu haben, das Arbeitsmedium in dem Prozess einzustellen, so dass dessen Eigenschaften näher an herkömmlich angewendeten Gasen sind. Dann kann das Ausmaß der Entwicklungsarbeit reduziert werden. Der Zwischenkühler mit Kondensierung erlaubt diese Einstellung des Prozessmediums.
  • Der Druckpegel im Zwischenkühler 14a wird größtenteils durch den Druck im recycelten Abgasstrom 13 entschieden. 1 bar Druck im Strom 13 wird typischerweise etwa 6 bar Druck als ein Optimum im Zwischenkühler 14a ergeben, während ein erhöhter Druck auf beispielsweise 2 bar einen höheren Druck als ein Optimum im Zwischenkühler ergeben wird. Welche Druckpegel angewendet werden sollten, ist in jedem Fall eine Angelegenheit der Optimierung.
  • Zusammenfassung
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zur kombinierten Erzeugung von elektrischer Energie und Wasser, wobei das Verfahren ein Zuführen von im Wesentlichen reinen Sauerstoff und einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff in einem stöchiometrischen Verhältnis zu einem Verbrenner (5), ein Verbrennen des zugeführten Sauerstoffs und Kohlenwasserstoffs zum Ausbilden eines Abgases bei vergleichsweise hoher Temperatur und Druck, ein Durchleiten des Abgases bei hoher Temperatur und Druck an einen Expander (7), welcher einen elektrischen Generator (8) und einen Abgas-Verdichter (9) antreibt, ein Durchleiten des Abgases, welches aus dem Expander austritt, an einen Abgas-Kühler (11), welcher das Gas auf eine Temperatur oberhalb der Dampfkondensierungstemperatur abkühlt, ein Durchleiten des Abgases, welches aus dem Abgas-Kühler austritt, an den Abgas-Verdichter zur Druckbeaufschlagung, und ein Durchleiten des mit Druck beaufschlagten Abgases an einen Abgas-Kondensierer (14), enthält, wobei das Abgas kondensiert wird und somit in einen im Wesentlichen reinen Wasser-Anteil und in gasförmiges CO getrennt wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (11)

  1. Verfahren zur kombinierten Erzeugung von Wasser und elektrischer Energie, wobei das Verfahren enthält: Zuführen von im Wesentlichen reinem Sauerstoff und einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff in einem stöchiometrischen Verhältnis zu einem Verbrenner, Verbrennen des zugeführten Sauerstoffs und Kohlenwasserstoffs zum Ausbilden eines Abgases bei vergleichsweise hoher Temperatur und Druck, Durchleiten des Abgases bei der vergleichsweise hohen Temperatur und Druck zu einem Expander, welcher einen elektrischen Generator und einen Abgasverdichter antreibt, Durchleiten des Abgases, welches aus dem Expander austritt, zu einem Abgaskühler, welcher das Gas auf eine Temperatur oberhalb der Dampfkondensationstemperatur abkühlt, Durchleiten des Abgases, welches aus dem Abgaskühler austritt, zum Abgasverdichter zur Druckbeaufschlagung, und Durchleiten des druckbeaufschlagten Abgases zu einem Abgas-Kondensierer, wobei das Abgas kondensiert wird und somit zu einem im Wesentlichen Reinwasser-Anteil und einem gasförmigen CO2-Anteil getrennt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ebenfalls enthält: Verwenden eines geschlossenen Kühlflüssigkeitskreises zum Kühlen des Abgas-Kühlers und Abgas-Kondensierers, und Umwandeln der Exergie der Kühlflüssigkeit in elektrische Energie durch ein Durchleiten der erwärmten Kühlflüssigkeit, welche aus dem Abgas-Kühler austritt, durch einen Expander, welcher einen elektrischen Generator antreibt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Abgas-Verdichter einen Gas-Kondensierer zur Teilkondensierung des Wassers des Abgases enthält.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Verbrennungsprozess durch ein Durchleiten eines Teilstroms vom Abgas-Verdichter zum Verbrenner gesteuert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Sauerstoffzufuhr im Wesentlichen reiner Sauerstoff von einer Lufttrenneinheit ist.
  6. Anlage zur kombinierten Erzeugung von Wasser und elektrischer Energie, wobei die Anlage enthält: eine Quelle 3 reinen Sauerstoffs, eine Quelle 6 eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs, einen Verbrenner 5, welchem der reine Sauerstoff und der Kohlenwasserstoff-Brennstoff zugeführt wird, einen Expander 7, welcher einen elektrischen Generator 8 und einen Gas-Verdichter 9 antreibt, ein Element 10 zum Durchleiten des Abgases, welches aus dem Verbrenner 5 austritt, zum Expander 7, einen Abgas-Kühler 11, ein Element 12 zum Durchleiten des Abgases, welches aus dem Expander 7 austritt, zum Abgas-Kühler 11, ein Element 13 zum Befördern des Abgases, welches aus dem Abgas-Kühler 11 austritt, zum Verdichter 9, einen Abgas-Kondensierer 14, ein Element 18 zum Durchleiten des mit Druck beaufschlagten Abgases, welches aus dem Verdichter 9 austritt, zum Abgas-Kondensierer 14, ein Mittel 24 zum Zuführen eines Kühlmediums zum Abgas-Kondensierer 14 und Abgas-Kühler 11, und ein Element 15, 16 zum jeweils separaten Wiedererlangen des gasförmigen CO2-Anteils und des Wasser-Anteils aus dem Abgas-Kondensierer.
  7. Anlage nach Anspruch 6, wobei die Anlage ebenfalls einen geschlossenen Kühlflüssigkeitskreis zum Kühlen des Abgas-Kühlers 11 und Abgas-Kondensierers 14 enthält, wobei der Kühlkreis enthält: eine Pumpe 25, ein Element 24 zum Durchleiten von relativ kaltem Kühlmedium zu einem Wärmetauscher im Abgas-Kondensierer 14 und einem ersten Wärmetauscher im Abgas-Kühler 11, ein Element 24a zum Durchleiten von moderat erwärmter Kühlflüssigkeit, welche aus dem Wärmetauscher im Abgas-Kondensierer 14 und dem ersten Wärmetauscher im Abgas-Kühler 11 austritt, zu einem zweiten Wärmetauscher im Abgas-Kühler 11, ein Element 24b zum Durchleiten von einem relativ hoch erwärmten Kühlmedium, welches aus dem zweiten Wärmetauscher im Abgas-Kühler 11 austritt, an einen Expander 19, welcher einen elektrischen Generator 21 antreibt, ein Element 22 zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit, welche aus dem Expander 19 austritt, an einen Wärmetauscher 20, ein Element 26, 27 zum Durchleiten eines zweiten Kühlmediums von einer Wärmesenke an den Wärmetauscher 20, und ein Element 23 zum Schließen des Kühlflüssigkeitskreises durch ein Durchleiten des gekühlten Kühlmediums an die Pumpe 25.
  8. Anlage nach Anspruch 7, bei welcher der Wärmetauscher 20 und die Elemente 26, 27 durch einen Kühlturm ersetzt sind, welcher einen Luftfluss als Wärmesenke ausnutzt.
  9. Anlage nach Anspruch 6, bei welcher der Abgas-Kondensierer 14 durch ein Extrahieren von Kühlwasser aus einer Wärmesenke durch eine Pumpe 25 und eine Leitung 30, 31, und ein Durchleiten des Kühlwassers durch einen Wärmetauscher im Abgas-Kondensierer 14 gekühlt ist, und der Abgas-Kühler 11 unabhängig vom Abgas-Kondensierer 14 durch ein Durchleiten eines zweiten Kühlmediums durch einen oder mehrere Wärmetauscher im Abgas-Kühler 11 über eine Leitung 32, 33 gekühlt ist.
  10. Anlage nach Anspruch 6, bei welcher der Verdichter 9 auf zwei Verdichter 9a und 9b unterteilt ist, und wobei ein Kondensierer 14b zwischen den Verdichtern 9a und 9b zwischengesetzt ist, und das Kondensat durch Dampf 16a extrahiert ist, und wobei die Kühlung des Kondensierers 14b durch ein Durchleiten eines Kühlmediums aus der Leitung 24 über einen Wärmetauscher im Kondensierer 14b und ein Durchleiten eines erwärmten Kühlmediums über eine Leitung 24c an den Expander 19 erlangt ist.
  11. Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei sie ebenfalls ein Element 17 zum Durchleiten des Abgases von dem Abgas-Verdichter 9 oder 9b zum Verbrenner 5 enthält.
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