DE4303174A1 - Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine Anlage zur Erzeugung elektri­ scher Energie aus fossilen Brennstoffen unter Anwendung dieses Verfahrens.

Es ist bekannt, daß die bei der Stromerzeugung aus fos­ silen Brennstoffen auftretende Emission von Kohlendioxid zu dem weltweiten Problem des sogenannten Treibhausef­ fekts führt. Die Erkenntnis der schädlichen Auswirkungen von Kohlendioxid und Spurengasen in der Erdatmosphäre und die daraus entstehenden Gefahren für die Umwelt hat be­ reits zu einer Vielzahl von Vorschlägen geführt, die darauf abzielen, die Kohlendioxidemission von Kraftwer­ ken zu verringern. Andere Vorschläge haben zum Ziel, ent­ stehendes Kohlendioxid unschädlich zu machen Einer die­ ser Vorschläge sieht beispielsweise vor, die fossilen Energieträger mit reinem Sauerstoff zu verbrennen und das im Verbrennungsgas als Hauptkomponente enthaltene CO₂ zu verflüssigen und in erschöpften Erdgasfeldern oder im Meer in großer Tiefe zu deponieren. Das Verbrennen mit reinem Sauerstoff ist aber ebenso energieaufwendig, wie das Auswaschen von CO₂ aus den Rauchgasen, wodurch der Verstromungswirkungsgrad gesenkt wird.

Eine spürbare Steigerung des Wirkungsgrades ist durch die Kombination von Gas- und Dampfturbine möglich, wie sie bereits bei modernen Großkraftwerken angewandt wird.

Die vorliegende Erfindung geht von der bekannten Kombina­ tion von Gas- und Dampfturbine aus, erlaubt dabei aber bei Einsparung der Dampfturbine ohne wesentliche Beein­ trächtigung des Verstromungswirkungsgrades die Verbren­ nung von reinem Sauerstoff. Dabei wird ein geschlossener Kreislauf und als Kreislaufmedium ein inertes Gas, vor­ zugsweise CO₂ verwendet. Als Verbrennungsprodukte entste­ hen im wesentlichen CO₂ und H₂O, die dem Kreislauf wieder entnommen werden. Das ist ohne größeren Aufwand und ohne Schwierigkeiten möglich. In erster Linie besteht die Erfindung in der Anwendung eines Verfahrens mit den Merk­ malen des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung erfolgt eine direkte Beheizung des, wie schon erwähnt, aus einem inerten Gas vorzugsweise aus CO₂ bestehenden Arbeitsmediums durch die Verbrennung des, vorzugsweise aus Erdgas bestehenden, Energieträgers mit reinem Sauerstoff in der einer Gastur­ bine vorgeschalteten Brennkammer, wobei einer explosions­ artigen Verbrennung infolge des erhöhten Druckes dadurch vorgebeugt werden kann, daß dem Sauerstoff vor der Ver­ brennung in einer Mischkammer, die in der Sauerstoffzu­ leitung vor der Brennkammer vorgesehen ist, ein Teil des als Arbeitsmedium dienenden Kohlendioxids beigemischt wird. Auch kann zum gleichen Zweck dem Brennstoff Wasser­ dampf beigemischt werden. Nach der Arbeitsleistung in der Gasturbine wird die Restwärme des entspannten Arbeitsme­ diums dazu benutzt, den rückverdichteten Strom des Ar­ beitsmediums, vor der Einspeisung in die Brennkammer vorzuwärmen. Zuvor werden ihm die bei der Verbrennung entstandenen Gase auf geeignete Weise, Wasser z. B. durch Kondensation, entnommen. Auch der zur Verbrennung benö­ tigte Sauerstoff kann mit dieser Restwärme vorgewärmt werden. Daneben können weitere bekannte Maßnahmen zur Verbesserung des Wirkungsgrades durch geeignete Möglich­ keiten der Abwärmenutzung eingesetzt werden. Zweckmäßige und vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens nach der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele des Erfindungs­ gegenstandes, und zwar zeigt

Fig. 1 schematisch den Ablauf eines erfindungsgemä­ ßen Verfahrens in einer Anlage mit einer Gasturbine,

Fig. 2 das Verfahrensschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Anlage mit drei Gastur­ binen,

Fig. 3 einen vergrößerter Ausschnitt des Teils des Verfahrensschema nach Fig. 2, in dem die Verbrennungsprodukte entnommen und das Ar­ beitsmedium rückverdichtet wird.

Bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten Anlage ist mit 1 die Brennkammer und mit 2 eine dieser nachgeschal­ tete Gasturbine bezeichnet. In die Brennkammer 1 wird über die Leitung 3 CO₂, über die Leitung 4 Erdgas und über die Leitung 5 der zur Verbrennung des Erdgases benö­ tigte Sauerstoff zugeführt. Dieser Sauerstoff wird durch Zufuhr einer ausreichenden Menge von CO₂, die vom Kreis­ lauf abgezweigt wird, in einer Mischkammer 6 soweit ver­ dünnt, daß eine Explosionsgefahr in der Brennkammer 1 ausgeschlossen wird. Durch die Verbrennung des Erdgases in der Brennkammer 1, die in einer Atmosphäre aus CO₂ erfolgt, wird das nunmehr in den Verdichtern 7 und 8 rückverdichtete und um die Verbrennungsprodukte CO₂, H₂O und Spurengase wie N₂ vermehrte Arbeitsmedium auf die Turbineneintrittstemperatur gebracht und in der Gastur­ bine entspannt, in der ein wesentlicher Teil der in ihm enthaltenen Energie in mechanische Energie umgesetzt wird, die in einem von der Gasturbine 2 angetriebenen Generator elektrische Energie erzeugt. Die Restwärme des die Gasturbine 2 verlassenden Arbeitsmediums wird danach in einem Wärmeaustauscher, im vorliegenden Fall einem Abhitzekessel 9 nach Art eines Rekuperators, dazu be­ nutzt, das in den Verdichtern 7 und 8 rückverdichtete CO₂ und den über den Verdichter 10 in die Leitung 5 ge­ speisten Sauerstoff vorzuwärmen. Arbeitsmedium und Sauer­ stoff werden so auf eine geeignete Temperatur vorgewärmt bevor sie in die Brennkammer 1 gelangen. Die Restwärme des den Abhitzekessel verlassenden Arbeitsmediums, dem hier noch die Verbrennungsprodukte beigemischt sind, wird schließlich in dem Kühler 11 entzogen und gemeinsam mit der Wärme aus dem Zwischenkühler 12 über einen Warmwas­ serkreislauf als Prozeß- bzw. Fernwärme genutzt. Im Som­ mer kann ein Kühlturm als Wärmesenke dienen.

Bei der Rückverdichtung, die zur Einsparung von Antriebs­ energie auf mehrere Verdichter unterteilt ist, erfolgt vor jedem der beiden Verdichter 7, 8 eine CO₂-Kühlung in den Kühlern 11 bzw. 12 mit anschließender Entwässerung des kondensierten Wasserdampfes. Das Kondensat wird dabei über die Leitung 15 dem Kreislauf entnommen. Über die Leitung 16 wird dem Arbeitsmedium soviel CO₂ entnommen, wie durch die Verbrennung in der Brennkammer 1 dem Ar­ beitsmedium zugeführt worden ist.

Der zu Verbrennung des Erdgases erforderliche Sauerstoff wird in einer nicht dargestellten Luftzerlegungsanlage erzeugt und durch die Leitung 17 dem Verdichter 10 zuge­ führt und gelangt von dort, auf Brennkammerdruck verdich­ tet, nach der Vorwärmung im Abhitzekessel 9 in die zur Brennkammer führende Leitung 5.

Um den Druckbereich günstiger Verdichtungsarbeit auszu­ nutzen, ist ein möglichst hoher Anfangsdruck für den Prozeß anzustreben. Soll andererseits das Arbeitsvermögen des bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampfes weit­ gehend genutzt werden, empfiehlt sich ein möglichst nie­ driger Enddruck bis zum Vakuum. Hieraus ergibt sich ein relativ hohes Druckverhältnis, das gegebenenfalls durch Zwischenüberhitzung in einer oder mehreren Stufen auf eine entsprechende Anzahl von Gasturbinen aufgeteilt werden kann. Die Eintrittstemperatur des Arbeitsmediums in die Gasturbine wird bekanntlich begrenzt durch die Warmfestigkeit des Werkstoffes der Schaufeln der Gastur­ bine. Für eine Optimierung des gesamten Prozesses nach der Erfindung ist es aber zweckmäßig bei möglichst hohen Drücken zu arbeiten, auch dann, wenn nicht mit den höchs­ ten Gasturbinentemperaturen gearbeitet werden kann.

Fig. 2 zeigt Aufteilung der Arbeitsleistung des erhitzten Arbeitsmediums auf drei Gasturbinen. Sie hat den Vorteil, daß ein größeres Gesamtgefälle verarbeitet werden kann und sich daher der Temperaturabstand im Abhitzekessel zwischen Abgaseintritt und Austritt des verdichteten, vorgewärmten CO₂ als wirkungsgradsenkende Enthalpiedif­ ferenz auf ein hohes Gesamtgefälle bezieht und somit nur geringen Einfluß hat.

In Fig. 2 sind mit 20a, 20b und 20c drei Gasturbinen bezeichnet, deren gemeinsame Welle einen Generator 21 zur Stromerzeugung antreibt. Mit 22a, 22b und 22c sind Brenn­ kammern bezeichnet, die vom dem aus CO₂ bestehenden Ar­ beitsmedium der Leitung 3 durchströmt werden. Wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel 1, werden dem Arbeitsmedium dabei in den Brennkammern 22a, 22b und 22c die Verbrennungsgase von Erdgas und Sauerstoff beige­ mischt, wobei Erdgas über die Leitungen 23a, 23b und 23c und Sauerstoff über die Leitungen 24a, 24b und 24c den jeweils zu den Gasturbinen gehörenden Brennkammern zuge­ führt wird. Über die Leitung 57 wird Dampf zur Verdünnung der Verbrennungsgase beigemischt. Der Sauerstoff wird im Abhitzekessel 25 ebenso wie das als Energieträger die­ nende Erdgas, das in den Leitungen 23a und 23b durch Verdichter 26a und 26b jeweils auf den in den Brennkam­ mern 22a und 22b benötigten Druck gebracht wird, durch das aus der Gasturbine 20c austretende und entspannte Arbeitsmedium weitgehend vorgewärmt, wodurch der Brenn­ stoffeinsatz in den Brennkammern verringert wird. Die anfallende Wärme bei der Zwischenkühlung des Sauerstoffs beim Verdichten kann in den Prozeß eingebunden oder für Fernheizzwecke verwendet werden.

Das aus dem Abhitzekessel 25 ausströmende mit den Ver­ brennungsgasen belastete Arbeitsmedium wird, bevor es den Abhitzekessel 25 verläßt, noch zur Vorwärmung eines Teilstromes des vorverdichten CO₂ verwendet. Schließlich wird das Abgas in dem Kühler 27 durch Kühlwasser aus dem Leitungssystem 39 möglichst tief abgekühlt, um die Lei­ stungsaufnahme in dem anschließenden Verdichter möglichst niedrig zu halten.

Fig. 3 zeigt die weitere Behandlung des aus dem Abhitze­ kessel 25 und dem Kühler 27 austretenden, mit den Ver­ brennungsprodukten der Verbrennung von Erdgas und Sauer­ stoff in den Brennkammern belasteten Arbeitsmediums. Mit 29, 30, 31, 32 und 33 sind dabei Verdichter bezeichnet, wobei den ersten vier Verdichtern auf deren Druckseite jeweils Kühler 34 bzw. 35, 36, 37 und 38 nachgeschaltet sind, denen durch Kühlwasserleitungen 39 Kühlwasser zuge­ führt wird. Eine Kühlwasserpumpe 40 fördert Kühlwasser über die Leitungen 39 zu den Kühlern 27, 35, 36, 37 und 38 und danach über eine Warmwassersammelleitung 45 zu dem Fernwärmeabnehmer 46, wobei im Bedarfsfall eine in der Zeichnung nicht dargestellte Druckhaltepumpe einge­ baut sein kann. Eine Steigerung von Vorlauftemperatur und Wärmeleistung kann im Winter durch eine geringere Kühlung in den Kühlern 35, 36, 37 und 38 erreicht werden. Soweit im Wärmeverbraucher 46, jahreszeitlich bedingt, Heizwärme benötigt wird, erfolgt eine Abkühlung je nach Vorlauf­ temperatur von 80-100°C auf etwa 50-60°C. Die Gesamt­ wärme im Sommer und die Restwärme im Winter wird über einen Kühlturm 47 abgeführt, der die Kaltwassertemperatur zwischen 20 und 30°C herstellt.

Hinter dem Verdichter 33 ist der CO₂-Strom in drei Teil­ ströme 41, 42 und 43 aufgeteilt, wobei der Teilstrom 41 in dem Abhitzekessel 25 aufgewärmt wird, während der zweite Teilstrom 42 den hinter dem Verdichter 29 angeord­ neten Wärmetauscher 34 durchströmt, um sich dann wieder auf einem Temperaturniveau zwischen 130 und 200°C mit den anderen Teilströmen zu vereinen. Der dritte Teilstrom 43 dient zur Zwischenkühlung des Sauerstoffs in dem Wärme­ tauscher 44. Die weitere Vorwärmung des Arbeitsmediums auf die Eintrittstemperatur in der Brennkammer 22a er­ folgt danach in dem als Abhitzekessel 25 ausgebildeten Wärmeaustauscher.

Das sich bei der Verbrennung des fossilen Brennstoffs mit Sauerstoff gebildete H₂O wird dem Kreislauf jeweils hin­ ter den Kühlern 35, 36, 37 und 38 bei 48, 49, 50, 51 und 52 als Kondensat entnommen. Die Entnahme des überschüssi­ gen CO₂ erfolgt unter entsprechendem Druck bei 53. Es wird in flüssiger Form abgeführt.

Der in den Brennkammern jeweils zur Verbrennung des als Energieträger dienenden Erdgases benötigte Sauerstoff wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer in der Zeichnung nicht dargestellten Anlage zur Luftzerlegung, gewonnen. Die Verdichtung des Sauerstoffs auf den Brennkammerdruck erfolgt dabei in dem in den Verdichtern 54, 55 und 56 mit Zwischenkühlung im Kühler 44 durch das über die Zweigleitung 43 geführte CO₂. Als Brennstoff zur Energiegewinnung in der Gasturbine eignet sich in erster Linie Erdgas bzw. Methan. Es können aber, unter Beachtung der erforderlichen Sicherheitsmaß­ nahmen, auch andere sich zur Verbrennung mit reinem Sau­ erstoff eignende Gase, beispielsweise aus Vergasung mit reinem Sauerstoff gewonnenes Kohlegas, Anwendung finden. An Stelle von Brennkammern konventioneller Bauart können auch Einrichtungen verwendet werden, in denen zerklei­ nerte Braun- oder Steinkohle, insbesondere Kohlestaub unter Druck mit reinem Sauerstoff verbrannt wird, wobei die Verbrennungsgase das Arbeitsmedium auf die Arbeits­ temperatur aufheizen. Das kann in einfacher Weise dadurch geschehen, daß die bei der Verbrennung entstehenden Gase direkt mit dem Arbeitsmedium vermischt werden. Die Ver­ brennungsgase können aber auch über Wärmeaustauschflächen geführt werden und dort das Arbeitsmedium indirekt auf­ heizen. Die Abgase der Verbrennung werden auch hier in der Weise genutzt, daß sie in das Arbeitsmedium vor des­ sen Entspannung in der Turbine eingespeist werden, und dort Arbeit leisten.

Für eine derartige Kohleverbrennung eignet sich insbeson­ dere das sogenannte Wirbelschichtverfahren. Dabei erfolgt eine Reinigung der Verbrennungsgase von noch festen Par­ tikeln durch geeignete Filter, durch vorzugsweise Hoch­ temperaturfilter aus Keramik vor oder nach der Einspei­ sung der Verbrennungsgase in das Arbeitsmedium. Auch bei einer solchen Ausführungsform des Verfahrens nach der Er­ findung können zur Verminderung der Explosionsgefahr dem Sauerstoff vor der Verbrennung eine entsprechende Menge des Arbeitsmediums und dem Brennstoff H₂O beigemischt wer­ den. Auch sind Anlagen mit mehreren Gasturbinen ausführ­ bar, von denen ein Teil mit Erdgas und ein anderer mit Kohle betrieben wird.

Wenn bei hohen Drücken der Brennstoffzufuhr eine hohe Energiedichte entsteht, kann eine Vermischung mit Dampf oder einem kleineren Teilstrom von etwas höher verdich­ tetem CO₂ vorgesehen werden. Auch können Einrichtungen zum Beseitigen von Energiespitzen (Ablaßventile, Ein­ spritzung von kälterem H₂O oder CO₂) sowie Vorkehrungen zur Minimierung von Regelabweichungen vorgesehen sein.

Claims (11)

1. Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie aus fossilen Brennstoffen, die in einer Brennkammer mit Sauerstoff verbrannt, danach die Verbrennungsgase in einer Gasturbine entspannt und die Abwärme der entspannten Gase zu Vorwärmzwecken benutzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium ein in einem geschlossenen Kreislauf geführtes inertes Gas benutzt wird, das in der Brennkammer durch Verbrennen des Brennstoffs mit Sauerstoff auf Arbeitstemperatur erhitzt, danach in der Tur­ bine entspannt und nach dem Entspannen zum Vor­ wärmen des wieder verdichteten Arbeitsmediums benutzt wird, dem zuvor die bei der Verbrennung entstandenen Verbrennungsgase wieder entnommen worden sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem zur Verbrennung benötigten Sauerstoff vor der Brennkammer ein Teil des inerten Arbeitsme­ diums beigemischt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Brennstoff Wasserdampf beige­ mischt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gasturbinen vorgesehen sind, vor denen jeweils eine Brennkammer angeordnet ist, in der zum Aufheizen des Arbeitsmediums der Brennstoff mit reinem Sauerstoff verbrannt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium CO₂ dient.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff Erdgas benutzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff zerkleinerte Kohle benutzt wird, deren Verbrennung mit Sauer­ stoff unter Druck erfolgt, wobei dem Sauerstoff ein Teil des Kreislaufmediums beigemischt sein kann und die Verbrennungsgase zur Aufheizung des Ar­ beitsmediums dienen, mit diesem gemischt und vor der Entspannung in der Gasturbine mittels Hoch­ temperaturfilter entstaubt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des Arbeitsmediums indirekt über Wärmeaustauscherflächen erfolgt und die Verbren­ nungsgase vor der Einspeisung in das Arbeitsme­ dium entstaubt werden.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß nachdem das Arbeitsmedium nach der Entspannung seine Restwärme abgegeben hat, das bei der Verbrennung entstandene Wasser durch Kondensation und das dabei entstandene CO₂ aus dem Verdichtungsstrang bei 50-70 bar entnommen und in flüssigem Zustand abgegeben wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im Abhitzekessel nicht mehr ausnutzbare Wärme des Arbeitsmediums sowie die zwischen einzelnen Verdichtungsstufen anfallende Wärme zu Heizzwecken in Fernwärmenetzen verwendet wird.

11. Anlage zum Erzeugen elektrischer Energie aus fossilen Brennstoffen unter Anwendung eines Ver­ fahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen aus mindestens einer Brennkammer, mindestens einer einen Generator antreibenden Gasturbine, einem zum Vorwärmen des Arbeitsmediums dienenden Abhitzekessel und mindestens einem zum Verdichten des Arbeits­ mediums dienenden Verdichter bestehenden ge­ schlossen Kreislauf, in welchem als Arbeits­ medium ein inertes Gas strömt, das in der Brennkammer durch Verbrennen von Brennstoff mit Sauerstoff erhitzt, in der Gasturbine ent­ spannt, danach zum Vorwärmen von Arbeitsmedium und Sauerstoff benutzt wird, wobei vor der Rückführung des Arbeitsmediums zur Brennkammer Mittel zur Entnahme der bei der Verbrennung dem Arbeitsmedium zugeführten Verbrennungsgase vorgesehen sind.