WO2008017577A1 - Verfahren zur abtrennung von co2 aus einem gasstrom, co2-abtrennvorrichtung zur durchführung des verfahrens, dralldüse für eine co2-abtrennvorrichtung sowie anwendung der co2-abtrennvorrichtung - Google Patents

Verfahren zur abtrennung von co2 aus einem gasstrom, co2-abtrennvorrichtung zur durchführung des verfahrens, dralldüse für eine co2-abtrennvorrichtung sowie anwendung der co2-abtrennvorrichtung Download PDF

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gas stream
cooled
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Gianfranco Guidati
Alexander Ni
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Definitions

  • the present invention relates to the field of climate protection technology. It relates to a process for the separation of CO 2 from a gas stream, a CO 2 - separation device for carrying out the method, a swirl nozzle for such a CO 2 separation device, and various applications of the CO 2 - separation device.
  • the gas stream is compressed in a first step to separate off CO2 from a gas stream which is produced as exhaust gas or flue gas during the combustion of fossil fuels, that the compressed gas stream is cooled down in a second step the cooled gas stream is supplied in a third step of a swirl nozzle and separated from the gas stream CO2 in the swirl nozzle, and that in a fourth step, the separated CO2 in the swirl nozzle for separate further treatment is removed from the swirl nozzle.
  • An embodiment of the method according to the invention is characterized in that, within the second step, the compressed gas stream is first precooled in a heat exchanger operating with cooling water, and the gas stream preheated in the heat exchanger is further cooled by means of at least one refrigeration circuit operating with compressor, condenser, expansion valve and evaporator.
  • the pre-cooled gas stream for further cooling by means of two working with compressor, condenser, expansion valve and evaporator cooling circuits can be further cooled sequentially.
  • the preheated gas stream is sent to the further cooling by the evaporator (s) of the refrigeration cycle or refrigeration circuits.
  • Another embodiment of the method according to the invention is characterized in that the gas flow is supplied to the compression at approximately room temperature and, after the compression in the heat exchanger, is again pre-cooled to approximately room temperature.
  • Another embodiment is characterized in that the gas flow is further cooled by means of the first refrigeration cycle only to the extent that no water from the gas stream in the associated heat exchanger freezes, and that the gas flow by means of the second refrigeration cycle to a temperature of about - 50 0 C further cooled is, wherein the evaporator of the second refrigeration circuit to de-ice at certain time intervals is de-iced and the De-icing of the evaporator, the pre-cooling of the gas stream is interrupted in working with cooling water heat exchanger.
  • the C ⁇ 2-poor gas stream exiting from the swirl nozzle is sent through the condenser of the second refrigeration cycle for cooling the refrigerant in the second refrigeration cycle.
  • Another embodiment is characterized in that the separated in the swirl nozzle CO2 is supplied to the liquefaction of a liquefaction plant.
  • a further embodiment of the method according to the invention is characterized in that the cooled-down gas stream in an input section of the swirl nozzle is first set in rotation about the axis of the swirl nozzle, that the resulting rotating flow is then reduced in diameter, that the reduced diameter in the rotating flow then is passed through a central portion of the swirl nozzle with a constant diameter, wherein CO2 accumulates in the outer edge region of the swirl nozzle, and that at the end of the central portion before an end portion of the enriched CO2 is separated at a arranged on the outer circumference of the swirl nozzle CO 2 outlet, wherein in the end portion the swirl nozzle is increased by increasing the diameter of the pressure in the gas stream flowing to the gas outlet.
  • An embodiment of the CO 2 separation device according to the invention is characterized in that the plurality of cooling devices provided upstream of the swirl nozzle comprises at least one heat exchanger through which cooling water flows and at least one refrigeration circuit connected downstream of the heat exchanger and operating with compressor, condenser, expansion valve and evaporator.
  • the heat exchanger two successively arranged, each working with compressor, condenser, expansion valve and evaporator Refrigeration circuits downstream, wherein the condenser of the first refrigeration cycle is flowed through by cooling water, and the condenser of the second refrigeration circuit is flowed through by the swirl nozzle emerging from CO 2 gas stream, and wherein the two compressors of the cooling circuits are driven by a common motor.
  • the swirl nozzle can be followed by a liquefaction plant for the liquefaction of the separated CO 2 .
  • An embodiment of the swirl nozzle according to the invention is characterized in that radially arranged inlet guide vanes are arranged in the input section for impressing the rotation, and in that the inlet guide vanes are designed to be adjustable.
  • Another embodiment is characterized in that between the middle section and the end portion on the outer circumference of the swirl nozzle, a CO 2 outlet is provided.
  • means for accelerating the gas flow in the circumferential direction can be provided in the input section of the swirl nozzle, the acceleration means comprising either concentric annular nozzles, through which air is injected in a direction adapted to the rotation of the gas flow in the swirl nozzle, or wall segments rotating about the axis of the swirl nozzle, whose rotational speed is adapted to the rotation of the gas flow in the swirl nozzle.
  • Fig. 2 in three sub-figures 2 (a), 2 (b) and 2 (c) a swirl nozzle according to a preferred embodiment of the invention in an axial view
  • FIG. 2 (a) in longitudinal section (Fig. 2 (b) and in a perspective side view (Fig. 2 (c)) with various marked positions (A, .., E) for explaining the function;
  • FIG. 4 shows the application of the CO 2 separator of FIG. 1 in a steam power plant
  • Fig. 5 shows the application of the CO 2 separator of FIG. 1 in one
  • Fig. 6 shows the application of the CO 2 separator of FIG. 1 in one
  • Fig. 7 shows the application of the CO 2 separator of FIG. 1 in one
  • Fig. 8 shows the application of the CO 2 separator of FIG. 1 at a
  • Fig. 10 is an alternative to Fig. 9 CO 2 separation device, in which the
  • Swirl nozzle is arranged
  • FIG. 11 shows an alternative CO 2 separation device to FIG. 10, in which FIG.
  • Turbine and compressors are arranged on a common shaft.
  • the present invention relates to the capture of CO2 from the flue gas or flue gas of an engine or plant using carbon (e.g., coal) or hydrocarbons (e.g., methane, methanol, ethanol, etc.) as a fuel.
  • carbon e.g., coal
  • hydrocarbons e.g., methane, methanol, ethanol, etc.
  • the fuel is oxidized, causing
  • CO2 is formed.
  • the heat generated during the oxidation process is either converted to mechanical or electrical energy (e.g., by a generator) or used directly as process heat or for heating (e.g., a building).
  • Such machine may be a coal-fired or gas fired or oil fired power plant (e.g., a gas turbine)
  • Combined cycle power station a stationary diesel engine, a building heating or a vehicle engine or the like.
  • the principle of the invention is a treatment of the CO 2 -enriched exhaust gases or flue gases, which comprises the following steps:
  • the exhaust gas or flue gas is cooled by means of a heat exchanger to ambient temperature (about 20 0 C - 25 ° C);
  • FIG. 1 shows the simplified diagram of a CO 2 separation device according to one exemplary embodiment of the invention.
  • the exhaust gas enriched with CO2 enters through an inlet 11 at an approximate ambient temperature of 25 ° C.
  • the exhaust gas (or flue gas) is first compressed in a driven by a motor 12 compressor 13 and heats up. After compression, the gas is cooled back to about 25 ° C by means of a heat exchanger operating with cooling water. Thereafter, the gas enters an active cooling device, which comprises two series-connected refrigeration circuits CC1 and CC2.
  • Each of the refrigeration circuits CC1, CC2 consists of an evaporator 14 or 15, a compressor 24 or 25, a condenser 21 or 26 and an expansion valve 22 or 27.
  • the first refrigeration cycle CC1 extracts heat from the exhaust gas in the first evaporator 15 and delivers it to the cooling water flowing through the first condenser 26.
  • the outlet temperature of the first evaporator 15 is selected so that no water can freeze on the heat exchanger surfaces of the first evaporator 15.
  • the exhaust gas then flows through the second evaporator 16 of the second Refrigeration circuit CC2.
  • the second evaporator 16 lowers the temperature of the exhaust to about -50 0 C.
  • the capacitor 21 is arranged of this circuit at the output of the twisting nozzle 17 to utilize the cold of the exiting there residual gas.
  • the two refrigeration circuits CC1 and CC2 are kept in motion by compressors 24, 25, which in the exemplary embodiment are driven by a common motor 23. Because of the low temperatures at the second evaporator 16, the residual water will be deposited in the exhaust gas at the local heat exchanger surfaces as ice film. Therefore, a defrosting process is required in which, at certain intervals, the water cooling in the heat exchanger 14 is reduced or completely switched off. It flows then exhaust gas with a temperature of about 100 0 C introduced into the evaporator 16, which leads to a deicing. De-icing takes up about 1% of the total operating time.
  • the exhaust gas After leaving the second evaporator 16, the exhaust gas enters one (or more parallel) swirl nozzle (s) 17, where it is further cooled (as will be explained below) by acceleration. This further cooling leads to a separation of CO2 from the exhaust gas.
  • the CO2 is extracted from the swirl nozzle 17 and then sent to a liquefaction plant 18 where it is liquefied and processed for further transport in a pipeline 19.
  • FIG. 2 An essential component of the CO 2 separation device 10 of FIG. 1 is the swirl nozzle 17, which is shown in different views in FIG. 2.
  • the swirl nozzle 17 is constructed coaxially and extends along an axis 38. It has in concentric arrangement an inner wall 29 and an outer wall 28, between which an annular channel for the exhaust gas flow is formed.
  • the swirl nozzle 17 is divided into a tapered diameter inlet section 30, a central section 32 of constant (or slightly increasing or decreasing) diameter, and an end section 34 of rapidly expanding diameter.
  • FIG. 2 (a) shows the input section 30 with radially acting inlet guide vanes 31 in the axial direction.
  • FIG. 2 (b) shows the longitudinal section through the swirl nozzle 17.
  • the exhaust gas (flue gas) enters from the left into the swirl nozzle 17 at a diameter Ri.
  • the reason for the re-sublimation of the CO 2 particles is that the total pressure, the release of the heat of desublimation in the
  • the gaseous CO2 remains concentrated in the outer zone of the swirl nozzle 17 because it (1) has a density 50% higher than air, and (2) the centrifugal flow field generates forces approximately 50,000 times the gravitational acceleration.
  • the concentrated CO2 is extracted through slots in the outer wall 28 of the swirl nozzle 17 and passed via a CO2 outlet 33 to a liquefaction plant (18 in FIG. 1).
  • the remaining offgas content is separated off and the resulting liquid is discharged via a pipeline (19 in FIG. 1).
  • the main energy consumption during the CO 2 separation concerns the compressor 13, which increases the total pressure upstream of the evaporators 15, 16 of the refrigeration circuits CC1 and CC2. This increased total pressure is necessary to compensate for the pressure losses in the heat exchangers and especially in the swirl nozzles 17. Since the velocity in the swirl nozzle is predominantly oriented in the circumferential direction, the wall friction of the flow is governed by the azimuthal component of the velocity. In order to minimize the wall friction, two ways can be used, which are exemplified in Fig. 3 (a) and Fig. 3 (b).
  • a swirl nozzle 17 ' air is injected through annular slots (ring nozzles 36) in the wall at an angle corresponding to the helix angle of the core flow.
  • the flow is thereby accelerated in azimuthal direction and thus reduces the total pressure loss.
  • the slots can be arranged concentrically in the inner wall 29 and / or the outer wall 28.
  • a slot is created by arranging individual wall elements at a distance. The distance between the wall elements is maintained by ribs arranged to achieve the desired helix angle of the injected air.
  • a similar acceleration of the flow can be achieved according to Fig.
  • both techniques insufflation and rotation
  • both techniques can be used on both the inner wall 29 and the outer wall 28.
  • both techniques can also be used in the predominantly straight central part and in the terminal end section 34 both on the outside and on the inside.
  • the end portion 34 of the swirl nozzle 17 acts as a diffuser which decelerates the flow to a low speed, with which it then leaves the swirl nozzle.
  • This section is primarily responsible for the loss of total pressure that must be applied by the compressor 13. Diffusion can be enhanced by providing exhaust vanes that convert the residual swirl into an increase in static pressure.
  • FIG. 4 shows the integration of a CO 2 separator 10 into a coal-fired, steam turbine steam power plant 40.
  • Coal provided via a fuel feed 44 is burned in a boiler 41 comprising a combustor 43 and a steam generator 42.
  • the steam generator provides high pressure, high temperature steam for a Rankine cycle.
  • the flue gas leaves the boiler 41 at about 200 ° C.
  • the flue gas is cooled down in a heat exchanger 39 through which cooling water flows, in order to cool the flue gas Flue gas temperature at the entrance of the CO 2 -Abtrennhchtung 10 to about 25 ° C to decrease.
  • FIGS. 5 and 6 show two exemplary possibilities for integrating the CO 2 separating device 10 into a combined cycle power station 50 or 60 equipped with gas turbines 46.
  • the compressor 49 of the gas turbine 46 compresses ambient air supplied via the air supply 47, heats it by combustion of hydrocarbons (eg natural gas, oil, syngas etc.) in a combustion chamber 51 and relaxes the hot gas under working power in a turbine 52, which drives the compressor 49 and a generator 48.
  • hydrocarbons eg natural gas, oil, syngas etc.
  • HRSG heat recovery steam generator
  • a variant of the combined cycle power plant 50 from FIG. 5 is the combined cycle power plant 60 from FIG. 6.
  • a portion of the exhaust gas is branched off at a branch 55 located in the exhaust gas line 54 behind the heat exchanger 39 and returned via a return 56 to the inlet of the compressor 49.
  • the amount of CO 2 in the exhaust gas led to the CO 2 separation device 10 is increased while the exhaust gas as a whole is reduced. This reduces the power consumption of the compressor 13 in the CO 2 separation device 10.
  • Both variants can also be used in gas turbines with sequential combustion (eg of the type GT24 / GT26 of the applicant).
  • FIG. 7 shows an example of the integration of the CO 2 separation device 10 from FIG. 1 into a combined heat and power plant 64, which is equipped, for example, with an internal combustion engine (diesel) 59, which receives the fuel via a fuel supply 61.
  • a combined heat and power plant 64 which is equipped, for example, with an internal combustion engine (diesel) 59, which receives the fuel via a fuel supply 61.
  • Such facilities can be larger buildings or groups of houses with Supply heat and electricity.
  • the internal combustion engine 59 burns by means of ambient air hydrocarbons (eg diesel fuel) and generates mechanical or electrical energy.
  • the exhaust gas exits the engine at high temperatures of 500-800 0 C.
  • a power circuit PC which comprises an evaporator 58, a power turbine 63, a condenser 68 and a pump 62nd
  • the heat released in the condenser 68 is used for heating purposes.
  • the exhaust gas flows through the evaporator 58 of the power circuit PC and gives off further heat for heating purposes at a downstream, water-cooled heat exchanger 57.
  • the exhaust gas temperature at the inlet of the CO 2 separator 10 is then again about 25 ° C.
  • the power turbine 63 of the power circuit PC can thereby drive the compressor 13 of the CO 2 separation device 10.
  • the system diagram of Fig. 7 can also be applied to land vehicles or watercraft with internal combustion engine.
  • a boiler 65 is supplied with fuel (coal, oil, natural gas, etc.) via a fuel supply 67.
  • fuel coal, oil, natural gas, etc.
  • the existing in the exhaust CO2 can be separated without loss of energy, because the heater provides the power that is necessary to drive the compressor 13 of the CO 2 separator 10 via a power circuit PC. Instead of using the high temperature heat directly for the heater, it is introduced into the power circuit, partially converted to mechanical energy and then removed at lower temperatures for heating purposes (capacitor 68).
  • Capacitor 68 Capacitor 68
  • the exhaust gas flow can be expanded by means of a turbine 70 in the case of CO 2 separation devices 10 b or 10 c, in order to bring about the initial cooling in front of the swirl nozzle 17.
  • the stream is further expanded, the CO 2 extracted, and the Stream with a downstream compressor 13 again compressed to atmospheric pressure.
  • compressor 13 and turbine 70 are separated.
  • the turbine 70 drives a generator 69.
  • turbine 70 and compressor 13 are arranged on a common shaft.
  • the exhaust gas stream can also be expanded directly into the swirl nozzle 17 and is then compressed back to atmospheric pressure by means of a compressor 13 which is arranged behind the swirl nozzle 17.

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Abstract

Ein Verfahren zur Abtrennung von CO2 aus einem Gasstrom, insbesondere aus dem Abgasstrom eines mit fossilen Brennstoffen arbeitenden Verbrennungsprozesses zeichnet sich dadurch aus, dass der Gasstrom in einem ersten Schritt verdichtet wird, dass der verdichtete Gasstrom in einem zweiten Schritt heruntergekühlt wird, dass der heruntergekühlte Gasstrom in einem dritten Schritt einer Dralldüse (17') zugeführt und in der Dralldüse (17) aus dem Gasstrom CO2 abgetrennt wird, und dass in einem vierten Schritt das in der Dralldüse (17) abgetrennte CO2 zur separaten Weiterbehandlung aus der Dralldüse (17) abgeführt wird.

Description

BESCHREIBUNG
VERFAHREN ZUR ABTRENNUNG VON CO2 AUS EINEM GASSTROM, CO2-
ABTRENNVORRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG DES VERFAHRENS, DRALLDÜSE FÜR EINE CO2-ABTRENNVORRICHTUNG SOWIE ANWENDUNG
DER CO2-ABTRENNVORRICHTUNG
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Klimaschutztechnik. Sie betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von CO2 aus einem Gasstrom, eine CO2- Abtrennvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, eine Dralldüse für eine solche CO2-Abtrennvorrichtung, und verschiedene Anwendungen der CO2- Abtrennvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Das zunehmende Umweltbewusstsein und die Einführung des Handels mit CO2- Zertifikaten haben dazu geführt, dass Technologien zur Abtrennung von CO2 für die kommerzielle Anwendung zunehmend attraktiv werden. In der Vergangenheit sind bereits Lösungsvorschläge gemacht worden, von denen einige auf chemischen Prozessen beruhen (z.B. „MEA scrubbing"), oder auf physikalischen Prinzipen (z.B. „frosting").
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Verfahren zur Separierung von Fluiden bekannt, die mit der Erzeugung von Überschall-Wirbelströmungen arbeiten. In der WO-A2-03/029739 wird ein entsprechender zyklonischer Fluid-Separator beschrieben. Eine ähnliche Vorrichtung ist in der US-A1 -2003/0145724 offenbart. Obgleich im Absatz [0017] der letztgenannten Druckschrift unter einer Reihe von Anwendungsmöglichkeiten auch auf die prinzipielle Anwendungsmöglichkeit des Separators zum Entfernen von CO2 und anderen Gasen aus Rauchgasen hingewiesen wird, bleibt vollkommen offen, wie eine entsprechende Anlage aufgebaut und konfiguriert sein muss.
Wichtig ist für die Lösung des CO2-Problems, dass entsprechende technische
Verfahren ökonomisch vertretbar sind, geringe Investitionskosten verursachen und möglichst geringe negative Auswirkungen auf den Wirkungsgrad der betroffenen CO2-erzeugenden Anlagen (z.B. Kraftwerke) haben.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein in der Praxis mit Vorteil einsetzbares Verfahren zur Abtrennung von CO2 vorzuschlagen, sowie eine zugehörige Anlage einschliesslich der benötigten Dralldüse und deren Anwendungsmöglichkeiten anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 , 14, 20, 27, 28, 31 und 32 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass zur Abtrennung von CO2 aus einem Gasstrom, der als Abgas oder Rauchgas bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht, der Gasstrom in einem ersten Schritt verdichtet wird, dass der verdichtete Gasstrom in einem zweiten Schritt heruntergekühlt wird, dass der heruntergekühlte Gasstrom in einem dritten Schritt einer Dralldüse zugeführt und in der Dralldüse aus dem Gasstrom CO2 abgetrennt wird, und dass in einem vierten Schritt das in der Dralldüse abgetrennte CO2 zur separaten Weiterbehandlung aus der Dralldüse abgeführt wird.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des zweiten Schritts der verdichtete Gasstrom zunächst in einem mit Kühlwasser arbeitenden Wärmetauscher vorabgekühlt wird, und der im Wärmetauscher vorabgekühlte Gasstrom mittels wenigstens eines mit Verdichter, Kondensator, Entspannungsventil und Verdampfer arbeitenden Kältekreislaufs weiter abgekühlt wird.
Insbesondere kann der vorabgekühlte Gasstrom zur weiteren Abkühlung mittels zwei mit Verdichter, Kondensator, Entspannungsventil und Verdampfer arbeitenden Kältekreisläufen nacheinander weiter abgekühlt werden.
Gemäss einer bevorzugten Weiterbildung wird der vorabgekühlte Gasstrom zur weiteren Abkühlung jeweils durch den bzw. die Verdampfer des Kältekreislaufs bzw. der Kältekreisläufe geschickt.
Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Gasstrom ungefähr mit Zimmertemperatur der Verdichtung zugeführt wird, und nach der Verdichtung im Wärmetauscher wieder ungefähr auf Zimmertemperatur vorabgekühlt wird.
Eine andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom mittels des ersten Kältekreislaufs nur soweit weiter abgekühlt wird, dass kein Wasser aus dem Gasstrom im zugehörigen Wärmetauscher ausfriert, und dass der Gasstrom mittels des zweiten Kältekreislaufs auf eine Temperatur von etwa - 50 0C weiter abgekühlt wird, wobei der Verdampfer des zweiten Kältekreislaufs zur Entfernung von Eis in gewissen zeitlichen Abständen enteist wird und zum Enteisen des Verdampfers die Vorabkühlung des Gasstroms im mit Kühlwasser arbeitenden Wärmetauscher unterbrochen wird.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung wird der aus der Dralldüse austretende, Cθ2-arme Gasstrom zur Abkühlung des Kältemittels im zweiten Kältekreislauf durch den Kondensator des zweiten Kältekreislaufs geschickt.
Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das in der Dralldüse abgetrennte CO2 zur Verflüssigung einer Verflüssigungsanlage zugeführt wird.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der heruntergekühlte Gasstrom in einem Eingangsabschnitt der Dralldüse zunächst in Rotation um die Achse der Dralldüse versetzt wird, dass die dabei entstehende rotierende Strömung dann im Durchmesser verkleinert wird, dass die im Durchmesser verkleinerte rotierende Strömung dann durch einen Mittelabschnitt der Dralldüse mit konstantem Durchmesser geschickt wird, wobei sich CO2 im äusseren Randbereich der Dralldüse anreichert, und dass am Ende des Mittelabschnitts vor einem Endabschnitt das angereicherte CO2 an einem am Aussenumfang der Dralldüse angeordneten CO2-Auslass absepariert wird, wobei im Endabschnitt der Dralldüse durch Vergrösserung des Durchmessers der Druck im zum Gasauslass strömenden Gasstrom erhöht wird.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemässen CO2-Abtrennvorhchtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der stromaufwärts der Dralldüse vorgesehenen Kühleinrichtungen wenigstens einen von Kühlwasser durchflossenen Wärmetauscher und wenigstens einen dem Wärmetauscher nachgeschalteten, mit Verdichter, Kondensator, Entspannungsventil und Verdampfer arbeitenden Kältekreislauf umfasst.
Vorzugsweise sind dem Wärmetauscher zwei hintereinander angeordnete, jeweils mit Verdichter, Kondensator, Entspannungsventil und Verdampfer arbeitende Kältekreisläufe nachgeschaltet, wobei der Kondensator des ersten Kältekreislaufs von Kühlwasser durchflössen ist, und der Kondensator des zweiten Kältekreislaufs vom aus der Dralldüse austretenden CO2-armen Gasstrom durchströmt wird, und wobei die beiden Verdichter der Kühlkreisläufe von einem gemeinsamen Motor angetrieben werden. Insbesondere kann der Dralldüse eine Verflüssigungsanlage zur Verflüssigung des abgetrennten CO2 nachgeschaltet sein.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemässen Dralldüse ist dadurch gekennzeichnet, dass im Eingangsabschnitt zum Aufprägen der Rotation radial angeordnete Einlassleitschaufeln angeordnet sind, und dass die Einlassleitschaufeln verstellbar ausgebildet sind.
Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Mittel abschnitt und dem Endabschnitt am äusseren Umfang der Dralldüse ein CO2-Auslass vorgesehen ist.
Insbesondere können im Eingangsabschnitt der Dralldüse Mittel zur Beschleunigung des Gasstromes in Umfangshchtung vorgesehen sein, wobei die Beschleunigungsmittel entweder konzentrische Ringdüsen umfassen, durch welche Luft in einer der Rotation des Gasstromes in der Dralldüse angepassten Richtung eingedüst wird, oder um die Achse der Dralldüse rotierende Wandsegmente, deren Rotationsgeschwindigkeit an die Rotation des Gasstromes in der Dralldüse angepasst ist.
Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen Fig. 1 das vereinfachte Schema einer CO2-Abtrennvorrichtung gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 in drei Teilfiguren 2(a), 2(b) und 2(c) eine Dralldüse gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in axialer Ansicht
(Fig. 2(a)), im Längsschnitt (Fig. 2(b) und in perspektivischer Seitenansicht (Fig. 2(c)) mit verschiedenen markierten Positionen (A,..,E) zur Erklärung der Funktion;
Fig. 3 in zwei Teilfiguren 3(a) und 3(b) zwei Möglichkeiten zur
Unterstützung des Dralls des in die Dralldüse einströmenden Gasstroms;
Fig. 4 die Anwendung der CO2-Abtrennvorrichtung aus Fig. 1 in einem Dampfkraftwerk;
Fig. 5 die Anwendung der CO2-Abtrennvorrichtung aus Fig. 1 in einem
Kombikraftwerk;
Fig. 6 die Anwendung der CO2-Abtrennvorrichtung aus Fig. 1 in einem
Kombikraftwerk mit Abgasrückführung;
Fig. 7 die Anwendung der CO2-Abtrennvorrichtung aus Fig. 1 in einer
Kraft-Wärmekopplungsanlage oder einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor;
Fig. 8 die Anwendung der CO2-Abtrennvorrichtung aus Fig. 1 bei einer
Gebäudeheizung;
Fig. 9 eine zu Fig. 1 alternative CO2-Abtrennvorrichtung, bei welcher der
Verdichter stromabwärts der Dralldüse angeordnet ist; Fig. 10 eine zu Fig. 9 alternative CO2-Abtrenn Vorrichtung, bei welcher der
Verdichter stromabwärts und eine Turbine stromaufwärts der
Dralldüse angeordnet ist; und
Fig. 11 eine zu Fig. 10 alternative CO2-Abtrennvorhchtung, bei welcher
Turbine und Verdichter auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Abscheidung von CO2 aus dem Abgas oder Rauchgas einer Maschine oder Anlage, die Kohlenstoff (z.B. Kohle) oder Kohlenwasserstoffe (z.B. Methan, Methanol, Äthanol etc.) als Brennstoff verwendet. In der Maschine bzw. Anlage wird der Brennstoff oxidiert, wodurch
CO2 gebildet wird. Die beim Oxidationsprozess entstehende Wärme wird entweder in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt (z.B. mittels eines Generators) oder direkt als Prozesswärme oder zum Heizen (z.B. eines Gebäudes) verwendet. Solche Maschine bzw. Anlage kann ein kohlebefeuertes oder gas- bzw. ölbefeuertes Kraftwerk sein (z.B. eine Gasturbine), ein
Kombikraftwerk, ein stationärer Dieselmotor, eine Gebäudeheizung oder ein Fahrzeugmotor oder dgl. sein.
Das Prinzip der Erfindung besteht in einer Behandlung der mit CO2 angereicherten Abgase bzw. Rauchgase, welche die folgenden Schritte umfasst:
(1 ) Das Abgas bzw. Rauchgas wird mittels eines Wärmetauschers auf Umgebungstemperatur (ca. 200C - 25°C) heruntergekühlt;
(2) das Abgas bzw. Rauchgas wird auf ein Druckniveau von etwa 2-3 bar verdichtet; (3) das verdichtete Abgas bzw. Rauchgas wird wieder auf
Umgebungstemperatur heruntergekühlt; (4) das Abgas bzw. Rauchgas wird durch einen Kältekreislauf aktiv auf Temperaturen von etwa -400C bis -500C abgekühlt;
(5) das abgekühlte Abgas bzw. Rauchgas wird dann in einer Dralldüse durch schnelle Expansion in einen Wirbel mit Überschallgeschwindigkeit so stark abgekühlt, dass sich feste CO2-
Partikel bilden;
(6) durch den Zentrifugaleffekt reichert sich das CO2 an der Aussenwand an;
(7) das angereicherte CO2 wird zur weiteren Behandlung aus der Dralldüse extrahiert; und
(8) die Kälte des aus der Dralldüse austretenden Restgases wird in einem Wärmetauscher zurückgewonnen und in den aktiven Kältekreislauf zurückgeführt.
In Fig. 1 ist das vereinfachte Schema einer CO2-Abtrennvorrichtung gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. In die CO2- Abtrennvorrichtung 10 tritt das mit CO2 angereichter Abgas durch einen Eingang 11 bei einer ungefähren Umgebungstemperatur von 25°C ein. Das Abgas (bzw. Rauchgas) wird zunächst in einem von einem Motor 12 angetriebenen Verdichter 13 verdichtet und erhitzt sich dabei. Nach der Verdichtung wird das Gas mittels eines mit Kühlwasser arbeitenden Wärmetauschers auf ungefähr 25°C zurückgekühlt. Danach tritt das Gas in eine aktive Kühleinrichtung ein, die zwei hintereinander geschaltete Kältekreisläufe CC1 und CC2 umfasst. Jeder der Kältekreisläufe CC1 , CC2 besteht aus einem Verdampfer 14 bzw. 15, einem Verdichter 24 bzw. 25, einem Kondensator 21 bzw. 26 und einem Entspannungsventil 22 bzw. 27.
Der erste Kältekreislauf CC1 entzieht dem Abgas im ersten Verdampfer 15 Wärme und gibt diese an das den ersten Kondensator 26 durchströmende Kühlwasser ab. Die Ausgangstemperatur des ersten Verdampfers 15 ist so gewählt, dass an den Wärmetauscherflächen des ersten Verdampfers 15 kein Wasser ausfrieren kann. Das Abgas strömt dann durch den zweiten Verdampfer 16 des zweiten Kältekreislaufs CC2. Der zweite Verdampfer 16 erniedrigt die Temperatur des Abgases auf etwa -500C. Um den Energieverbrauch des zweiten Kältekreislaufs CC2 zu verringern, ist der Kondensator 21 dieses Kreislaufs am Ausgang der Dralldüse 17 angeordnet, um die Kälte des dort austretenden Restgases zu nutzen. Die beiden Kältekreisläufe CC1 und CC2 werden durch Verdichter 24, 25 in Gang gehalten, die im Ausführungsbeispiel von einem gemeinsamen Motor 23 angetrieben werden. Wegen der tiefen Temperaturen am zweiten Verdampfer 16 wird sich das Restwasser im Abgas an den dortigen Wärmetauscherflächen als Eisfilm abscheiden. Es wird daher ein Enteisungsprozess benötigt, bei dem in gewissen Zeitabständen die Wasserkühlung im Wärmetauscher 14 reduziert oder ganz abgeschaltet wird. Es strömt dann Abgas mit einer Temperatur von etwa 1000C in den Verdampfer 16 eingeführt, was zu einer Enteisung führt. Die Enteisung beansprucht etwa 1 % der gesamten Betriebszeit.
Nach Verlassen des zweiten Verdampfers 16 tritt das Abgas in eine (oder mehrere parallel arbeitende) Dralldüse(n) 17 ein, wo es (wie weiter unten noch erklärt wird) durch Beschleunigung weiter abgekühlt wird. Diese weitere Abkühlung führt zu einer Abtrennung von CO2 aus dem Abgas. Das CO2 wird aus der Dralldüse 17 extrahiert und dann zu einer Verflüssigungsanlage 18 geleitet, wo es verflüssigt und für den Weitertransport in einer Rohrleitung (Pipeline) 19 aufbereitet wird.
Ein wesentlicher Bestandteil der CO2-Abtrennvorhchtung 10 der Fig. 1 ist die Dralldüse 17, die in Fig. 2 in verschiedenen Ansichten wiedergegeben ist. Die Dralldüse 17 ist koaxial aufgebaut und erstreckt sich entlang einer Achse 38. Sie hat in konzentrischer Anordnung eine Innenwand 29 und eine Aussenwand 28, zwischen denen ein Ringkanal für den Abgasstrom ausgebildet ist. Die Dralldüse 17 ist unterteilt in einen Eingangsabschnitt 30 mit sich verjüngendem Durchmesser, einen Mittelabschnitt 32 mit konstantem (oder leicht zunehmendem oder abnehmendem) Durchmesser, und einen Endabschnitt 34 mit sich schnell wieder erweiterndem Durchmesser. Fig. 2(a) zeigt in axialer Blickrichtung den Eingangsabschnitt 30 mit im Eingangsbereich angeordneten, radial wirkenden Einlassleitschaufeln 31. Fig. 2(b) zeigt den Längsschnitt durch die Dralldüse 17. Das Abgas (Rauchgas) tritt von links in die Dralldüse 17 bei einem Durchmesser Ri ein. Durch die verstellbar ausgebildeten Einlassleitschaufeln 31 wird dem Abgasstrom eine Drehbewegung um die Achse 38 aufgeprägt (Position A in Fig. 2(c)). Das Abgas wird dann zu einem Abschnitt mit kleinerem Radius geleitet, der durch den Radius R21 der Aussenwand 28 und R20 der Innenwand 29 im Bereich des Mittelabschnitts 32 bestimmt ist. Aufgrund der Erhaltung des Drehimpulses erhöht sich dadurch die Drehgeschwindigkeit auf Überschallwerte (Position B in Fig. 2(c)). Die Erhöhung der kinetischen Energie geht einher mit einem Abfall der statischen Temperatur des Abgases auf etwa 100 K (Position C in Fig. 2(c)). Die mittlere Geschwindigkeit in axialer Richtung der Dralldüse ist dabei immer im Unterschallbereich.
Wenn die statische Temperatur unter die Sättigungstemperatur von CO2 bei gegebenem Partialdruck fällt, bilden sich spontan im Abgas Teilchen aus CO2-Eis (Position D in Fig. 2(c)). Die Desublimationswärme des CO2 wird vom Abgas aufgenommen. Diese Energiezufuhr zum Abgas führt zu einer Temperaturerhöhung, die letztlich die De-Sublimation unterbinden würde. Die Temperaturerhöhung kann jedoch kontrolliert werden, indem die Strömung im Mittelteil der Düse langsam zu einem kleineren Radius geführt wird. Dabei wird die durch die De-Sublimation freigewordene Energie in weiterer kinetischer Energie gespeichert. Die CO2-Eisteilchen werden durch die Drehbewegung zur Aussenwand 28 der Dralldüse 17 zentrifugiert. Da die Drehgeschwindigkeit umgekehrt proportional zum Radius ist, ist in der Aussenzone die statische Temperatur höher als im Kernstrom. Dadurch sublimiert ein Teil des CO2-Eises zurück in die Gasphase. Dieser Effekt wird verstärkt, indem der Strom im
Endabschnitt 34 zu einem grosseren Radius (R3 im Gasauslass 35; Position E in Fig. 2(c)) zurückgeführt wird.
Der Grund für die erneute Sublimation der CO2-Teilchen liegt darin, dass der gesamte Druck, der beim Freiwerden der Desublimationswärme bei der
Teilchenbildung verloren gegangen ist, wieder zurück gewonnen wird. Hierdurch wird der gesamte Druckverlust in der Dralldüse 17 begrenzt und damit auch die Kompressionsarbeit, die im Verdichter 13 aufgewendet werden muss.
Das gasförmige CO2 bleibt in der Aussenzone der Dralldüse 17 konzentriert, weil es (1 ) eine 50% höhere Dichte als Luft hat und (2) das zentrifugale Strömungsfeld Kräfte erzeugt, die etwa dem 50000fachen der Erdbeschleunigung entsprechen. Das konzentrierte CO2 wird durch Schlitze in der Aussenwand 28 der Dralldüse 17 extrahiert und über einen CO2-Auslass 33 zu einer Verflüssigungsanlage (18 in Fig. 1 ) geführt. Bei der Verdichtung des CO2 wird der restliche Abgasanteil abgetrennt und die resultierende Flüssigkeit wird über eine Rohrleitung (19 in Fig. 1 ) abgeführt.
Der hauptsächliche Energieverbrauch während der CO2-Abtrennung betrifft den Verdichter 13, der den Gesamtdruck vor den Verdampfern 15, 16 der Kältekreisläufe CC1 und CC2 erhöht. Dieser erhöhte Gesamtdruck ist nötig, um die Druckverluste in den Wärmetauschern und speziell in den Dralldüsen 17 auszugleichen. Da die Geschwindigkeit in der Dralldüse überwiegend in Umfangshchtung ausgerichtet ist, wird die Wandreibung der Strömung durch die azimuthale Komponente der Geschwindigkeit beherrscht. Um die Wandreibung zu minimieren, können zwei Wege beschritten werden, die in Fig. 3(a) und Fig. 3(b) beispielhaft dargestellt sind.
Gemäss Fig. 3(a) wird bei einer Dralldüse 17' Luft durch ringförmige Schlitze (Ringdüsen 36) in der Wand unter einem Winkel eingedüst, der dem Drallwinkel der Kernströmung entspricht. Die Strömung wird dadurch in azimuthaler Richtung beschleunigt und so der gesamte Druckverlust reduziert. Die Schlitze können zu mehreren konzentrisch in der Innenwand 29 und/oder der Aussenwand 28 angeordnet werden. Ein Schlitz wird durch Anordnung einzelner Wandelemente auf Abstand erzeugt. Der Abstand zwischen den Wandelementen wird durch Rippen aufrechterhalten, die so angeordnet sind, dass der gewünschte Drallwinkel der eingedüsten Luft erreicht wird. Eine ähnliche Beschleunigung der Strömung kann gemäss Fig. 3(b) bei einer Dralldüse 17" durch Rotation der Aussen- und/oder Innenwand 28 bzw. 29 erzielt werden, wobei die Drehgeschwindigkeit auf die Drallgeschwindigkeit der Kernströmung ausgerichtet ist. Diese ist umgekehrt proportional zum Radius. Da die Festkörperrotation der Wand as Ganzes direkt proportional zum Radius ist, lässt sich eine bessere Abstimmung der Geschwindigkeiten durch Aufteilung der Wand in einzelne, separat rotierende Wandelemente 37 erreichen.
Beide Techniken (Die Einblasung und die Rotation) können sowohl an der Innenwand 29 als auch an der Aussenwand 28 eingesetzt werden. Obwohl die Figuren das Prinzip nur im Bereich des Einlaufs der Düse illustrieren, können beide Techniken auch im vorwiegend geraden Mittelteil und im abschliessenden Endabschnitt 34 sowohl aussen als auch innen eingesetzt werden.
Der Endabschnitt 34 der Dralldüse 17 wirkt als Diffusor, der den Strom auf eine niedrige Geschwindigkeit abbremst, mit der er dann die Dralldüse verlässt. Dieser Abschnitt ist hauptsächlich verantwortlich für den Verlust an Gesamtdruck, der vom Verdichter 13 aufgebracht werden muss. Die Diffusion kann dadurch verstärkt werden, dass Auslassleitschaufeln vorgesehen werden, die den restlichen Drall in einen Anstieg des statischen Drucks umsetzen.
Die CO2-Abtrennvorhchtung 10 aus Fig. 1 mit einer oder mehreren Dralldüse(n) gemäss Fig. 2 und 3 kann auf unterschiedlichste Weise zur Behandlung von Abgasen bzw. Rauchgasen eingesetzt werden. Fig. 4 zeigt die Integration einer CO2-Abtrennvorhchtung 10 in ein mit Kohle befeuertes, mit Dampfturbinen arbeitendes Dampfkraftwerk 40. Über eine Brennstoffzufuhr 44 bereitgestellte Kohle wird in einem Kessel 41 verbrannt, der eine Brennkammer 43 und einen Dampferzeuger 42 umfasst. Der Dampferzeuger stellt Dampf mit hohem Druck und hoher Temperatur für einen Rankine-Kreisprozess zur Verfügung. Das Rauchgas verlässt den Kessel 41 mit etwa 2000C. Das Rauchgas wird in einem von Kühlwasser durchflossenen Wärmetauscher 39 heruntergekühlt, um die Rauchgastemperatur am Eingang der Cθ2-Abtrennvorhchtung 10 auf etwa 25°C zu erniedrigen.
Fig. 5 und 6 zeigen zwei beispielhafte Möglichkeiten, die CO2-Abtrennvorrichtung 10 in ein mit Gasturbinen 46 bestücktes Kombikraftwerk 50 bzw. 60 zu integrieren. Im Beispiel der Fig. 5 verdichtet der Verdichter 49 der Gasturbine 46 über die Luftzufuhr 47 zugeführte Umgebungsluft, heizt diese durch Verbrennung von Kohlenwasserstoffen (z.B. Erdgas, Öl, Syngas etc.) in einer Brennkammer 51 auf und entspannt das Heissgas unter Arbeitsleistung in einer Turbine 52, die den Verdichter 49 und einen Generator 48 antreibt. Um die im mehrere 1000C heissen Abgas der Turbine 52 enthaltene Wärme zurückzugewinnen, wird ein über eine Abgasleitung 53 nachgeschalteter Abhitzedampferzeuger (HRSG) 45 eingesetzt, der Dampf für einen Rankine-Kreisprozess erzeugt. Das Abgas verlässt den Abhitzedampferzeuger 45 mit einer Temperatur von etwa 1000C. Es wird wiederum in einem von Kühlwasser durchflossenen Wärmetauscher 39 heruntergekühlt, um die Rauchgastemperatur am Eingang der CO2- Abtrennvorrichtung 10 auf etwa 25°C zu erniedrigen.
Eine Variante des Kombikraftwerks 50 aus Fig. 5 ist das Kombikraftwerk 60 aus Fig. 6. Hier wird ein Teil des Abgases an einer in der Abgasleitung 54 hinter dem Wärmetauscher 39 liegenden Verzweigung 55 abgezweigt und über eine Rückführung 56 zum Eingang des Verdichters 49 zurückgeführt. Als Folge davon wird der Anteil an CO2 im zur CO2-Abtrennvorhchtung 10 geführten Abgas erhöht, während das Abgas insgesamt verringert wird. Hierdurch wird der Energieverbrauch des Verdichters 13 in der CO2-Abtrennvorhchtung 10 verringert. Beide Varianten können auch bei Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung (z.B. vom Typ GT24/GT26 der Anmelderin) eingesetzt werden.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel für die Integration der CO2-Abtrennvorrichtung 10 aus Fig. 1 in eine Kraft-Wärmekopplungsanlage 64, die z.B. mit einem Verbrennungsmotor (Diesel) 59 bestückt ist, der den Kraftstoff über eine Brennstoffzufuhr 61 erhält. Solche Anlagen können grossere Gebäude oder Gruppen von Häusern mit Wärme und Strom versorgen. Der Verbrennungsmotor 59 verbrennt mittels Umgebungsluft Kohlenwasserstoffe (z.B. Diesel-Kraftstoff) und erzeugt mechanische bzw. elektrische Energie. Das Abgas verlässt den Motor bei hohen Temperaturen von 500-8000C. Da Wärme bei solchen Temperaturen für eine Hausheizung uneffektiv ist, wird ein Leistungskreislauf PC eingesetzt, der einen Verdampfer 58, eine Leistungsturbine 63, einen Kondensator 68 und eine Pumpe 62 umfasst. Die im Kondensator 68 abgegebene Wärme wird dabei zu Heizzwecken benutzt. Das Abgas durchströmt den Verdampfer 58 des Leistungskreislaufs PC und gibt weitere Wärme zu Heizzwecken an einem nachgeschalteten, wassergekühlten Wärmetauscher 57 ab. Die Abgastemperatur am Eingang der CO2-Abtrennvorrichtung 10 ist dann wiederum etwa 25°C. Die Leistungsturbine 63 des Leistungskreises PC kann dabei den Verdichter 13 der CO2-Abtrennvorhchtung 10 antreiben. Das Anlagenschema der Fig. 7 kann auch auf Land- oder Wasserfahrzeuge mit Verbrennungsmotor angewendet werden.
Der exergetisch ineffizienteste Weg für den Einsatz fossiler Brennstoffe ist deren einfache Verbrennung für Heizzwecke. Gemäss Fig. 8 wird bei einer Gebäudeheizung 66 ein Heizkessel 65 über eine Brennstoffzufuhr 67 mit Brennstoff (Kohle, Öl, Erdgas etc.) versorgt. Das im Abgas vorhandene CO2 kann hierbei ohne Energieverlust abgetrennt werden, weil die Heizung die die Leistung bereitstellt, die zum Antrieb der Verdichter 13 der CO2-Abtrennvorrichtung 10 über einen Leistungskreis PC nötig ist. Statt die Hochtemperaturwärme direkt für die Heizung zu benutzen, wird sie in den Leistungskreis eingeführt, teilweise in mechanische Energie umgewandelt und dann bei niedrigeren Temperaturen für Heizzwecke entnommen (Kondensator 68). Das Schema der Fig. 8 ist dabei ähnlich wie das Schema der Fig. 7.
Weitere Varianten sind ebenfalls denkbar:
Der Abgasstrom kann gemäss Fig. 10 oder 11 bei CO2- Abtrennvorrichtungen 10b bzw. 10c mittels einer Turbine 70 entspannt werden, um die anfängliche Abkühlung vor der Dralldüse 17 zu bewirken. In der Dralldüse wird der Strom weiter entspannt, das CO2 extrahiert, und der Strom mit einem nachgeschalteten Verdichter 13 wieder auf Atmosphärendruck verdichtet. Bei der Variante der Fig. 10 sind Verdichter 13 und Turbine 70 getrennt. Die Turbine 70 treibt einen Generator 69. Bei der Variante aus Fig. 11 sind Turbine 70 und Verdichter 13 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet.
Der Abgasstrom kann gemäss Fig. 9 aber auch direkt in die Dralldüse 17 entspannt werden und wird dann mittels eines Verdichters 13, der hinter der Dralldüse 17 angeordnet ist, wieder auf Atmosphärendruck verdichtet.
BEZUGSZEICHENLISTE
10,1OaAc Cθ2-Abtrennvorrιchtung
11 Eingang
12 Motor
13 Verdichter
14,39 Wärmetauscher
15,16 Verdampfer
17.17M 7" Dralldüse
18 Verflüssigungsanlage
19 Rohrleitung
20 Ausgang
21 ,26 Kondensator
22,27 Entspannungsventil
23 Motor
24,25 Verdichter
28 Aussenwand
29 Innenwand
30 Eingangsabschnitt (Einlass)
31 Einlassleitschaufel
32 Mittelabschnitt
33 CO2-Auslass
34 Endabschnitt 35 Gasauslass
36 Ringdüse
37 Wandsegment (rotierend)
38 Achse
40 Dampfkraftwerk (kohlebefeuert)
41 Kessel
42 Dampferzeuger
43 Brennkammer
44,61 Brennstoffzufuhr
45 Abhitzedampferzeuger
46 Gasturbine
47 Luftzufuhr
48 Generator
49 Verdichter
50,60 Kombikraftwerk
51 Brennkammer
52 Turbine
53,54 Abgasleitung
55 Verzweigung
56 Rückführung
57 Wärmetauscher
58 Verdampfer
59 Verbrennungsmotor
61 ,67 Brennstoffzufuhr
62 Entspannungsventil
63 Leistungsturbine
64 Kraft-Wärmekopplungsanlage
65 Heizkessel
66 Gebäudeheizung
68 Kondensator
69 Generator
70 Turbine A1..,E Position
CC1.CC2 Kältekreislauf
PC Leistungskreislauf

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Abtrennung von CO2 aus einem Gasstrom, insbesondere aus dem Abgasstrom eines mit fossilen Brennstoffen arbeitenden
Verbrennungsprozesses, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom in einem ersten Schritt verdichtet wird, dass der verdichtete Gasstrom in einem zweiten Schritt heruntergekühlt wird, dass der heruntergekühlte Gasstrom in einem dritten Schritt einer Dralldüse (17, 17', 17") zugeführt und in der Dralldüse (17, 17', 17") aus dem Gasstrom CO2 abgetrennt wird, und dass in einem vierten Schritt das in der Dralldüse (17, 17', 17") abgetrennte CO2 zur separaten Weiterbehandlung aus der Dralldüse (17, 17', 17") abgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des zweiten Schritts der verdichtete Gasstrom zunächst in einem mit Kühlwasser arbeitenden Wärmetauscher (14) vorabgekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des zweiten Schritts der im Wärmetauscher (14) vorabgekühlte Gasstrom mittels wenigstens eines mit Verdichter (24, 25), Kondensator (21 , 26),
Entspannungsventil (22, 27) und Verdampfer (15, 16) arbeitenden Kältekreislaufs (CC1 , CC2) weiter abgekühlt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorabgekühlte Gasstrom zur weiteren Abkühlung mittels zwei mit Verdichter (24, 25), Kondensator (21 , 26), Entspannungsventil (22, 27) und Verdampfer (15, 16) arbeitenden Kältekreisläufen (CC1 , CC2) nacheinander weiter abgekühlt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vorabgekühlte Gasstrom zur weiteren Abkühlung jeweils durch den bzw. die
Verdampfer (15, 16) des Kältekreislaufs bzw. der Kältekreisläufe (CC1 , CC2) geschickt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom ungefähr mit Zimmertemperatur der Verdichtung zugeführt wird, und nach der Verdichtung im Wärmetauscher (14) wieder ungefähr auf Zimmertemperatur vorabgekühlt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom mittels des ersten Kältekreislaufs (CC1 ) nur soweit weiter abgekühlt wird, dass kein Wasser aus dem Gasstrom im zugehörigen Wärmetauscher (15) ausfriert, und dass der Gasstrom mittels des zweiten Kältekreislaufs (CC2) auf eine Temperatur von etwa -50 0C weiter abgekühlt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (16) des zweiten Kältekreislaufs (CC2) zur Entfernung von Eis in gewissen zeitlichen Abständen enteist wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Enteisen des Verdampfers (16) die Vorabkühlung des Gasstroms im mit Kühlwasser arbeitenden Wärmetauscher (14) unterbrochen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Dralldüse (17, 17', 17") austretende, CO2-arme Gasstrom zur Abkühlung des Kältemittels im zweiten Kältekreislauf (CC2) durch den Kondensator (21 ) des zweiten Kältekreislaufs (CC2) geschickt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Dralldüse (17, 17', 17") abgetrennte CO2 zur Verflüssigung einer Verflüssigungsanlage (18) zugeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der heruntergekühlte Gasstrom in einem Eingangsabschnitt (30) der Dralldüse (17, 17', 17") zunächst in Rotation um die Achse (38) der Dralldüse (17, 17', 17") versetzt wird, dass die dabei entstehende rotierende Strömung dann im Durchmesser verkleinert wird, dass die im Durchmesser verkleinerte rotierende Strömung dann durch einen Mittel abschnitt (32) der Dralldüse (17, 17', 17") mit konstantem Durchmesser geschickt wird, wobei sich CO2 im äusseren Randbereich der Dralldüse (17, 17', 17") anreichert, und dass am Ende des
Mittelabschnitts (32) vor einem Endabschnitt (34) das angereicherte CO2 an einem am Aussenumfang der Dralldüse (17, 17', 17") angeordneten CO2-Auslass (33) absepariert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im
Endabschnitt (34) der Dralldüse (17, 17', 17") durch Vergrösserung des Durchmessers der Druck im zum Gasauslass (35) strömenden Gasstrom erhöht wird.
14. CO2-Abtrennvorhchtung (10, 10a, 10b, 10c) zur Durchführung des
Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die CO2-Abtrennvorrichtung (10) eine vom Gasstrom durchströmte Dralldüse (17, 17', 17"), einen stromaufwärts oder stromabwärts der Dralldüse (17, 17', 17") angeordneten Verdichter (13) und eine Mehrzahl von stromaufwärts der Dralldüse (17, 1 T, 17") vorgesehenen Kühleinrichtungen (14, CC1 , CC2) zur Abkühlung des aus dem Verdichter (13) kommenden Gasstroms umfasst.
15. CO2-Abtrennvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der stromaufwärts der Dralldüse (17, 17', 17") vorgesehenen Kühleinrichtungen (14, CC1 , CC2) wenigstens einen von Kühlwasser durchflossenen Wärmetauscher (14) und wenigstens einen dem Wärmetauscher (14) nachgeschalteten, mit Verdichter (24, 25), Kondensator (21 , 26), Entspannungsventil (22, 27) und Verdampfer (15, 16) arbeitenden Kältekreislauf (CC1 , CC2) umfasst.
16. CO2-Abtrennvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmetauscher (14) zwei hintereinander angeordnete, jeweils mit Verdichter (24, 25), Kondensator (21 , 26), Entspannungsventil (22, 27) und Verdampfer (15, 16) arbeitende Kältekreisläufe (CC1 , CC2) nachgeschaltet sind.
17. CO2-Abtrennvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (26) des ersten Kältekreislaufs (CC1 ) von Kühlwasser durchflössen ist, und dass der Kondensator (21 ) des zweiten Kältekreislaufs (CC2) vom aus der Dralldüse (17, 17', 17") austretenden Cθ2-armen Gasstrom durchströmt wird.
18. CO2-Abtrennvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verdichter (24, 25) der Kühlkreisläufe von einem gemeinsamen Motor (23) angetrieben werden.
19. CO2-Abtrennvorhchtung nach einem der Ansprüche 14-18, dadurch gekennzeichnet, dass der Dralldüse (17, 1 T, 17") eine Verflüssigungsanlage (18) zur Verflüssigung des abgetrennten CO2 nachgeschaltet ist.
20. Dralldüse (17, 17', 17") für eine CO2-Abtrennvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 14-19, dadurch gekennzeichnet, dass die Dralldüse (17, 17', 17") entlang einer Achse (38) hintereinander einen Eingangsabschnitt (30), einen daran anschliessenden Mittelabschnitt (32) und einen an den Mittelabschnitt (32) anschliessenden Endabschnitt (34) aufweist, wobei im Eingangsabschnitt (30) der einströmende Gasstrom unter Aufprägen einer Rotation um die Achse (38) radial nach innen strömt, im Mittelabschnitt (32) der Gasstrom in einem Ringkanal (28, 29) mit verringertem, konstanten Durchmesser in axialer Richtung weiterströmt, und schliesslich im sich konisch erweiternden Endabschnitt (34) zum Gasauslass (35) der Dralldüse (17, 17', 17") gelangt.
21. Dralldüse nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass im Eingangsabschnitt (30) zum Aufprägen der Rotation radial angeordnete
Einlassleitschaufeln (31 ) angeordnet sind.
22. Dralldüse nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassleitschaufeln (31 ) verstellbar ausgebildet sind.
23. Dralldüse nach einem der Ansprüche 20-22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Mittel abschnitt (32) und dem Endabschnitt (34) am äusseren
Umfang der Dralldüse (17, 17', 17") ein CO2-Auslass (33) vorgesehen ist.
24. Dralldüse nach einem der Ansprüche 20-22, dadurch gekennzeichnet, dass im Eingangsabschnitt (30) Mittel (36, 37) zur Beschleunigung des Gasstromes in Umfangshchtung vorgesehen sind.
25. Dralldüse nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsmittel konzentrische Ringdüsen (36) umfassen, durch welche Luft in einer der Rotation des Gasstromes in der Dralldüse (17') angepassten Richtung eingedüst wird.
26. Dralldüse nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsmittel um die Achse (38) der Dralldüse (17") rotierende Wandsegmente (37) umfassen, deren Rotationsgeschwindigkeit an die Rotation des Gasstromes in der Dralldüse (17") angepasst ist.
27. Anwendung der CO2-Abtrennvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 14-19 in einem Dampfkraftwerk (40), welches einen Kessel (41 ) mit einer Brennkammer (43) und einem nachfolgenden Dampferzeuger (42) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgase nach dem Verlassen des Kessels (41 ) der CO2-Abtrennvorrichtung (10) zugeführt werden.
28. Anwendung der CO2-Abtrennvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 14-19 in einem Kombikraftwerk (50), welches eine Gasturbine (46) und einen nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger (45) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase nach dem Verlassen des Abhitzedampferzeugers (45) der CO2-Abtrennvorrichtung (10) zugeführt werden.
29. Anwendung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Abgase in die Gasturbine (46) zurückgeführt wird.
30. Anwendung nach einem der Ansprüche 27-29, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgase vor dem Eintritt in die CO2- Abtrennvorrichtung (10) mittels eines mit Kühlwasser arbeitenden Wärmetauschers (39) abgekühlt werden.
31. Anwendung der CO2-Abtrennvorhchtung (10) nach einem der
Ansprüche 14-19 in einer Kraft-Wärmekopplungsanlage (64) oder einem Fahrzeug, welche einen Verbrennungsmotor (59) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase des Verbrennungsmotors (59) der CO2- Abtrennvorrichtung (10) zugeführt werden.
32. Anwendung der CO2-Abtrennvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 14-19 in einer Gebäudeheizung (66), welche einen Heizkessel (65) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgase des Heizkessels (65) der CO2-Abtrennvorhchtung (10) zugeführt werden.
33. Anwendung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass den Abgasen bzw. Rauchgasen vor dem Eintritt in die CO2-Abtrennvorhchtung (10) Wärme in einem Verdampfer (58) entzogen wird, welcher Teil eines mit Leistungsturbine (63), Kondensator (68) und Pumpe (62) ausgestatteten Leistungskreislaufs (PC) ist.
34. Anwendung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsturbine (63) mit dem Verdichter (13) der CO2-Abtrennvorhchtung (10) gekoppelt ist.
35. Anwendung nach einem der Ansprüche 31 -34, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase bzw. Rauchgase vor dem Eintritt in die CO2- Abtrennvorrichtung (10) mittels eines mit Kühlwasser arbeitenden Wärmetauschers (57) abgekühlt werden.
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