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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zur kombinierten
Erzeugung von elektrischer Energie und Wasser.
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Hintergrund
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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.
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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.
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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.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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Aufgabe der Erfindung
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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.
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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.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die in der folgenden Beschreibung
von der Erfindung und/oder anliegenden Ansprüchen dargelegten Merkmale
gelöst.
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Beschreibung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dies
wird dem Verfahren gemäß der Erfindung eine erhöhte
Wirtschaftlichkeit geben, indem mehrere Produkte, welche zum Verkauf
stehen, bereitgestellt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsformen der Erfindung
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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.
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Beispiel-Ausführungsform 1
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beispiel-Ausführungsform 2
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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.
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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.
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Beispiel-Ausführungsform 3
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beispiel-Ausführungsform 4
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5724805 [0006]
- - US 5956937 [0006]
- - US 6389814 [0006]
- - US 6598398 [0006]
- - WO 2005/100754 [0006]