WO2010139724A1 - Gas turbine having a molten carbonate fuel cell - Google Patents

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WO2010139724A1
WO2010139724A1 PCT/EP2010/057705 EP2010057705W WO2010139724A1 WO 2010139724 A1 WO2010139724 A1 WO 2010139724A1 EP 2010057705 W EP2010057705 W EP 2010057705W WO 2010139724 A1 WO2010139724 A1 WO 2010139724A1
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gas turbine
recirculation
mass flow
cathode
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Enrico Conte
Jürgen Hoffmann
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Alstom Technology Ltd.
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a gas turbine with a molten carbonate fuel cell and a power plant with gas turbine and molten carbonate fuel cell.
  • CO 2 carbon dioxide
  • CCS carbon capture and storage
  • CO 2 sequestration that is the separation of CO 2 from the heat energy process of a power plant and the atmosphere separate storage of the separated CO 2 .
  • the CO 2 separation takes place either from the exhaust gases after the combustion of a carbonaceous fuel or by a chemical reaction in which the carbon is separated from the fuel before combustion.
  • the regeneration of absorbers, adsorbers or other means for CO 2 separation is part of the CCS process.
  • Post-combustion CO 2 capture also known as backend capture or post-combustion capture
  • Traditional CCS technologies require relatively high power.
  • US7396603 has proposed the combination of conventional power plants with molten carbonate fuel cells.
  • Molten carbonate fuel cells is low. Due to the large exhaust gas mass flow of a gas turbine to be treated also large arrangements of fuel cells are necessary, which are associated with high costs. Further, the exhaust gas temperature and exhaust gas composition of a gas turbine greatly change depending on the operating conditions. especially the
  • Compressor inlet temperature and the load of the gas turbine lead to changes in the exhaust gas temperature and exhaust gas composition, so that an optimal operation of the fuel cell can not be guaranteed.
  • the present invention has the object of providing a cost-effective method for an overall efficiency optimized operation of a gas turbine fuel cell power plant with CO 2 deposition, and to propose a power plant for carrying out this method.
  • the essential element of CO 2 separation is the fuel cell. It is supplied with exhaust gas from the gas turbine on the cathode side and supplied with fuel on the anode side.
  • a fuel cell with internal reforming fossil fuel gases such as methane or natural gas can be used directly.
  • hydrogen is used as fuel gas or it is an external reforming before the fuel cell provided.
  • the reformed hydrogen of the anode side reacts with the exhaust gases of the cathode side.
  • electrical energy is generated and transported most of the CO 2 to the anode side and derived via the outlet of the cathode side.
  • the reaction product water which is also released in vapor form on the anode side.
  • the water can be easily separated by condensation.
  • the CO 2- rich exhaust gas stream of the anode can be forwarded directly after condensation of the water or be fed to a further treatment. From the cathode side occurs exhaust gas with reduced CO 2 - and oxygen content, which can be discharged through a fireplace to the environment.
  • the gist of the invention is a method of operating a gas turbine power plant with exhaust gas recirculation into the intake stream of the gas turbine and at least one fuel cell, wherein CO 2 is separated from the non-recirculated exhaust gases in the at least one fuel cell, and a power plant to carry out the process.
  • the method is characterized in that the recirculation mass flow is controlled to optimize the overall performance and the overall efficiency of the power plant.
  • the recirculation mass flow is regulated such that, under the boundary condition of stable gas turbine operation, the exhaust gas composition of the gas turbine enables optimum operation of the downstream at least one fuel cell.
  • the CO 2 - content of the exhaust gases is increased by recirculation, as far as this allows the associated reduction in the oxygen content.
  • a stable gas turbine operation is understood to mean an operation in which the combustion takes place completely and without strong combustion chamber pulsations, which can occur if the combustion temperature is too low and the oxygen content is too low.
  • the exhaust gas composition for the entire operating range, in particular also for partial load can be adapted to the requirements of the downstream fuel cell.
  • the exhaust gas composition of a gas turbine is dependent on the composition of the compressor intake gases and various operating parameters.
  • a regulation of the recirculation mass flow for adaptation to the requirements of the downstream fuel cell can be regulated accordingly as a function of at least one operating parameter of the gas turbine.
  • the recirculation mass flow can be regulated as a function of the load of the gas turbine and / or the turbine inlet temperature and / or the position of the at least one adjustable Verêtrvorleit réelle to optimize the exhaust gas composition for the downstream fuel cell.
  • an online gas analysis of the gas turbine exhaust gases between gas turbine and entry into the fuel cell is proposed for the regulation of the exhaust gas composition.
  • an online gas analysis of the recirculation mass flow or of the gas turbine intake air can also be carried out after admixing the recirculation mass flow.
  • the TAT turbine outlet temperature
  • the inlet temperature into the fuel cell can also be readjusted by varying the recirculation mass flow and / or the temperature of the recirculation mass flow.
  • the temperature to which the recirculation mass flow is recooled can be used for this purpose.
  • the TAT is proportional to the compressor inlet temperature at a constant relative load.
  • the ratio of current power to full load power at the same ambient boundary conditions, in particular at the same inlet temperature is referred to as a relative load.
  • increasing the compressor inlet temperature at a constant relative load will increase the TAT.
  • the TAT can therefore be influenced or readjusted by regulating the compressor inlet temperature without interfering with the operating concept of the gas turbine.
  • the inlet temperature is regulated in the fuel cell with a, arranged between the gas turbine and the fuel cell, temperature control waste heat boiler.
  • a temperature control waste heat boiler This has mainly the function of cooling the gas turbine exhaust gases to the optimum for the operation of the fuel cell fuel cell inlet temperature.
  • the TAT is above the optimum fuel cell inlet temperature.
  • the fuel cell inlet temperature can be regulated over wide load ranges.
  • the fuel cell inlet temperature can be alone be controlled by a temperature control waste heat boiler or in combination with the TAT control.
  • the waste heat dissipated in this boiler is used profitably, for example in a water-steam cycle.
  • CO 2 is recirculated from the anode outlet of the fuel cell to increase the CO 2 content in the cathode mass flow before or during entry into the fuel cell.
  • the diversion to recirculation is possible immediately after the fuel cell, to and from the anode downstream waste heat boiler, after the separation of water or after further treatment of the anode exhaust stream.
  • a separate waste heat boiler for the recirculated CO 2 rich mass flow may be provided to maintain the inlet temperature to the fuel cell in the optimum operating range.
  • the temperature of the recirculated exhaust gases and the recirculated CO 2 - stream and the temperature of the recirculated CO 2 - stream to get new control variables, with which the TAT or the fuel cell inlet temperature can be maintained even at partial load in the temperature range required for the operation of the fuel cell.
  • a water separation with subsequent CO 2 separation may be required. Due to the high CO 2 concentration in the anode exhaust gases, a CO 2 separation is possible, for example by CO 2 absorption with relatively little energy. This can be particularly advantageous when the fuel cell is operated with incomplete fuel conversion and a relatively high proportion of unburned fuel gases remains in the anode exhaust gases.
  • the unburned fuel can continue to be used after CO 2 separation. For example, the unburned fuel may be beneficially recirculated to the anode inlet along with other gases remaining in the exhaust gas.
  • Another way to operate the fuel cell with incomplete fuel conversion is the combination with at least one catalytic burner.
  • This can either be integrated in the outlet region of the fuel cell or be arranged separately in the exhaust gas streams of the fuel cell.
  • the exhaust gases are loaded with high emissions and impurities.
  • the purity of the exhaust gases can be increased. This can be advantageous in particular if only a water separation is provided as aftertreatment. This simplifies the overall structure and process.
  • the heat released by the catalytic combustion is also usefully used in the downstream waste heat boiler.
  • An Advantage Advantage of the exhaust gas recirculation process is the increase in CO 2 content in the exhaust gases which results in an increase in fuel cell efficiency. Further, the cathode mass flow of the exhaust gases to be treated is reduced, whereby the size of the fuel cell and thus the system costs can be reduced.
  • the CO 2 content can be kept close to the optimum over a wide operating range, so that the partial load efficiency of the fuel cell and thus of the entire power plant is also increased.
  • the usable waste heat from at least a portion of the recirculation streams and the exhaust gas streams is used in at least one waste heat boiler for steam generation.
  • the steam can be usefully used for combined heat and power or be relaxed under work to drive a generator in a steam turbine.
  • the method is proposed for a sequential combustion gas turbine power plant.
  • Conventional gas turbines with sequential combustion are known, for example, from EP0620362.
  • Such a gas turbine has at least one compressor followed by a first combustion chamber and a first turbine.
  • the exhaust gas flow of the first turbine is reheated in a second combustion chamber before it is further expanded in a second turbine.
  • Gas turbines with sequential combustion typically have the advantage of a high Turbine outlet temperature.
  • boundary conditions for a temperature control waste heat boiler are created, which make it possible to set the cathode inlet temperature of the fuel cell to the optimum temperature. This is design-specific and is typically in the range of about 550 ° C to 650 0 C, for example at about 600 0 C.
  • a power plant for carrying out the method is the subject of the invention.
  • a power plant for implementation consists of at least one gas turbine, at least one fuel cell and at least one line for exhaust gas recirculation of a portion of the exhaust gas stream of the gas turbine in the intake air of the gas turbine.
  • an adjustable flap a fixed exhaust divider with subsequent control element, such as a flap or a valve, a controllable fan or other suitable control member is provided in the exhaust stream of the gas turbine.
  • At least one waste heat boiler is arranged downstream of the gas turbine and / or downstream of the fuel cell.
  • a waste heat boiler is further disposed in the recycle stream.
  • a waste heat boiler between gas turbine and cathode inlet of the fuel cell can be arranged.
  • this waste heat boiler is characterized for example by the fact that the feed water quantity is regulated depending on the outlet temperature of the exhaust gases.
  • a CO 2 - recirculation line from the exhaust gases of the anode side of the fuel cell in the gas turbine exhaust pipe upstream of the cathode inlet of the fuel cell to be ordered.
  • a control element for example, a valve or an adjustable flap in combination with a blower can be provided in the recirculation line or in its connections.
  • a controllable CO 2 recirculation fan can be arranged in the CO 2 recirculation line or in its connections.
  • the CO 2 content can be regulated in a wide operating range of the power plant for optimized operation of the fuel cell in combination with the exhaust gas recirculation of the gas turbine.
  • this typically refers to the range from full load to about 50% load.
  • the proposed combination can even optimize the CO 2 content up to a lower partial load, for example up to 30% partial load or less.
  • recirculation of anode exhaust gas can be provided not only in the cathode inlet of the fuel cell but also in the compressor intake flow of the gas turbine. By regulating members and if necessary blowers the recirculation shares can be regulated.
  • One embodiment is characterized, for example, by an exhaust gas bypass around the fuel cell.
  • This allows operation of the gas turbine without the fuel cell, as long as the exhaust gases of the gas turbine at start or very low partial load, ie load points of training up to, for example, about 30% partial load, are too cold for the operation of the fuel cell.
  • a gas turbine power plant according to the invention includes a conventional gas turbine with at least one compressor, at least one combustion chamber and at least one turbine or a gas turbine with a division of the hot gas flow of the gas turbine into two partial flows after a high-pressure turbine.
  • FIGS. 1 to 3 schematically.
  • FIG. 1 shows a gas turbine power plant with a fuel cell for CO 2 separation, an exhaust divider for dividing the gas turbine exhaust gases into a recirculation mass flow and a cathode inlet flow,
  • FIG. 2 shows a gas turbine power plant with fuel cell for CO 2 separation, a temperature control waste heat boiler, an exhaust divider for dividing the gas turbine exhaust gases into a recirculation mass flow and a cathode inlet flow, and in the fuel cell on the cathode and Annodenseite to the fuel cell subsequent catalytic burner,
  • FIG. 3 shows by way of example the course of the CO 2 content in the exhaust gases of a conventional gas turbine without recirculation, the profile of the CO 2 content in the exhaust gases of a gas turbine of a gas turbine power plant with fuel cell and exhaust gas recirculation and the associated profile of the recirculation rate via relative load,
  • FIG. 4 shows a gas turbine power plant with a gas turbine with a steam-cooled flow divider, recirculation of a partial exhaust gas flow and diversion of a second partial exhaust gas flow for CO2 deposition in a fuel cell.
  • Fig. 1 shows schematically a gas turbine power plant with fuel cell for CO 2 deposition for carrying out the inventive method. It consists of a gas turbine 6 and at least one fuel cell 15.
  • the gas turbine 6 comprises in known manner at least one compressor 1, at least one combustion chamber 4 and at least one turbine 7.
  • a generator 25 at the cold end of the gas turbine 6, that is on the compressor 1, coupled.
  • the fuel 5, gas or oil, is mixed in the combustion chamber 4 with compressed in the compressor 1 gases and burned.
  • the hot gases are released under work delivery in the following turbine 7.
  • the exhaust gases of the gas turbine are divided in an exhaust divider 29 into two partial mass flows.
  • a first partial mass flow, the recirculation mass flow 21 is recirculated into the intake air 2 after discharge of the usable heat in a first waste heat boiler 9 and recooling in an exhaust gas recirculation recooler 27.
  • the exhaust gas recirculation recooler 27 typically has a condensate trap (not shown).
  • Various types of exhaust gas recirculation recoolers 27 are known. For example, they can be designed as an air heat exchanger and the waste heat emitted to the ambient air. If sufficient amounts of cooling water are available, water cooling is beneficial. In particular, if so on hot days, the inlet temperature can be lowered into the gas turbine to improve their performance. In addition, the size is smaller.
  • the live steam 30 of the waste heat boiler 9 is passed to a steam turbine 13 for power output.
  • the steam turbine 13 drives a second generator 26 via a shaft.
  • the waste heat boiler 9 with steam cycle is shown greatly simplified. Condenser, feedwater pumps and other known components of the steam cycle are not shown for simplicity.
  • the steam cycle is performed as a multi-pressure circuit.
  • the low CO 2 exhaust gases of the cathode 17 are passed into a second waste heat boiler 33, where they give their usable heat to generate steam. This steam can be used for power delivery to a steam turbine or beneficial for combined heat and power.
  • the waste heat boiler 33 may be connected to the steam cycle of the first waste heat boiler 9 (not shown) and thus a common steam turbine can be driven.
  • the cathode exhaust gases are discharged as a low CO 2 exhaust gas 22 from the second boiler 33 via a chimney 32 to the environment.
  • the exhaust gases or a part of the exhaust gases of the gas turbine can also be conducted from the exhaust divider 29 via an exhaust gas bypass 24 directly to the chimney 32.
  • This is regulated, for example, via a bypass flap or a bypass valve 12.
  • the bypass 24 allows the operation of the gas turbine 6, when the fuel cell 15 is turned off, for example, for maintenance purposes.
  • the bypass 24 further allows in combination with the recirculation mass flow, a flexible control of the exhaust gas mass flow, which is passed through the fuel cell 15.
  • the anode 18 of the fuel cell 15 is supplied with fuel for fuel 28.
  • the fuel 28 is tuned to the type of fuel cell 15. For example, hydrogen can be used.
  • fuel cells 15 with internal reforming natural gas or pure methane can be used.
  • the fuel 28 reacts in the fuel cell 15 while delivering electric power 8.
  • the CO 2 rich exit gases of the anode 18 are in a third
  • Waste heat boiler 34 passed where they give their usable heat for steam generation. This steam can be used for power delivery to a steam turbine or beneficial for combined heat and power.
  • the waste heat boiler 34 may be connected to the steam cycle of the first waste heat boiler 9 and / or the second waste heat boiler 33 (not shown), thereby driving a common steam turbine.
  • the moisture contained in the exhaust gases of the anode side of the fuel cell 15 is removed after the third boiler 34 in a water separator 23.
  • the remaining anode exhaust gases 35 have a high CO 2 concentration. In the example shown, they are sent directly for further use, for example for compression for transport and disposal. But they can also be fed to a further treatment.
  • a recirculation of CO 2 -rich anode exhaust gases of the fuel cell 15 is further provided in the cathode inlet.
  • the illustrated CO 2 - 38, a part of the CO 2 rich anode exhaust of the fuel cell 15 are conveyed to the cathode recirculation blower inlet - by means of a recirculation line may CO 2.
  • the CO 2 recirculation stream may be regulated via the CO 2 recirculation blower 38 and / or via the flap or valve for the CO 2 recirculation stream 39.
  • the recirculation blower 38 may be shut down and closed the flap or the valve for the CO 2 - recirculation 39, an unwanted bypass of the gas turbine exhaust gases are prevented by the fuel cell 15 in the anode exhaust gases 35.
  • the second and third waste heat boiler 33/34 are combined in a boiler. Furthermore, the second and / or the third waste heat boiler can be combined with the first waste heat boiler 9.
  • FIG. 2 shows schematically a second example of a gas turbine power plant with fuel cell for CO 2 deposition.
  • a temperature control waste heat boiler 43 is additionally arranged between the turbine 7 and the exhaust divider 29.
  • a fuel cell 15 is shown with downstream catalytic burner 40 on the anode side and with downstream catalytic burner 41 on the cathode side.
  • the catalytic burners allow the operation of a fuel cell 15 with incomplete fuel conversion. As fuel conversion while the proportion of the fully oxidized fuel is referred to the entire fuel 28 for the fuel cell 15.
  • a fuel cell 15 may, for example, under the boundary conditions, as given by the gas turbine exhaust gases 19, at partial fuel gas conversion achieve a higher efficiency based on the converted fuel gas for the fuel cell 28, as if a virtually complete fuel gas conversion is desired. As a complete fuel gas conversion, a conversion of more than 99% of the fuel gas 28 can typically be considered. Further, by reducing the fuel conversion, the cell voltage and the power density of the fuel cell 15 can be increased and thus the size of the fuel cell 15 can be reduced.
  • the optimal implementation will for example be 80% to 90%.
  • the implementation for an optimum overall efficiency of the power plant is lower, the better the heat released during the catalytic combustion can be used in the subsequent water-steam cycle.
  • the remaining parts of the power plant shown in Fig. 2 correspond to the parts with the same reference numerals in FIG. 1.
  • FIG. 3 shows by way of example the course of the CO 2 content in the exhaust gases of a conventional gas turbine without recirculation GT-CO 2 , the course of the CO 2 content in the exhaust gases of a gas turbine of a gas turbine power plant via the relative load P r ⁇ Fuel cell and exhaust gas recirculation R- CO 2 and the associated course of the recirculation rate r r .
  • the CO 2 content of the exhaust gases is normalized in the example for both the conventional gas turbine and for the gas turbine with recirculation with the CO 2 content at full load of the gas turbine with recirculation.
  • the recirculation rate r r is normalized with the recirculation rate at full load of the gas turbine with recirculation.
  • the recirculation rate is the quotient
  • Recirculation mass flow 21 designated by the total exhaust gas mass flow of the gas turbine.
  • the CO 2 content of the exhaust gases with recirculation RCO 2 over the entire load range is kept clearly above the CO 2 content without recirculation GT CO 2 .
  • the recirculation rate r r is reduced to ensure a complete, stable combustion of the gas turbine. Combined with a CO 2 production of the gas turbine which decreases at partial load, this leads to a noticeable reduction of the CO 2 content in the exhaust gases with exhaust gas recirculation RCO 2 .
  • the CO 2 content in the exhaust gases with exhaust gas recirculation RCO 2 remains significantly above the CO 2 content without exhaust gas recirculation GT CO 2 .
  • the use of waste heat for combined heat and power also called cogeneration, or for example for fuel gas preheating are many possibilities.
  • the temperature control waste heat boiler 43 may also be arranged between the exhaust manifold 29 and the fuel cell 15.
  • a large number of combinations is also possible for the aftertreatment of the exhaust gases and the CO 2 rich exhaust stream.
  • the CO 2 content can reduce the gas turbine exhaust gases 19 to low partial load by increasing the recirculation rate r r be kept at the optimal level for the fuel cell 15. So can be dispensed with a recirculation to the fuel cell (15) even at low partial load.
  • the CO emissions of gas turbine 6 typically increase.
  • CO emissions carbon monoxide emissions
  • the CO emissions at part load with high recirculation mass flow can quickly increase to over 100 ppm or even a few hundred ppm.
  • the gas turbine exhaust gases 19 are conducted into the fuel cell 15 with the high CO emissions. There the CO reacts with water vapor to CO 2 and hydrogen H 2 . The hydrogen will continue to react on the cathode side. Due to the low CO concentrations and resulting low hydrogen concentrations, the hydrogen conversion is easily tolerated.
  • a catalytic conversion of CO with residual oxygen of the exhaust gases 19 to CO 2 is possible.
  • a catalytic burner 41 on the cathode side is suitable, which is designed as a surface catalyst with nickel.
  • the CO 2 emerges from the anode 18 of the fuel cell 15 in accordance with the reaction in the fuel cell 15.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a gas turbine power plant according to the invention for carrying out the method according to the invention. It includes a gas turbine plant with flow division after a high-pressure turbine.
  • This gas turbine plant comprises in known manner a compressor 1, a combustion chamber 4, a turbine, and a generator 25.
  • the generator 25 at the cold end of the gas turbine 6 ', that is coupled to the compressor 1.
  • the turbine is divided into a high-pressure turbine 7 and low-pressure turbine 107.
  • the turbine drives the compressor 1 and the generator 25 via a shaft.
  • the fuel 5, gas or oil, is mixed in the combustion chamber 4 with compressed in the compressor 1 gases and burned.
  • the hot gases are released under work delivery in the at least one downstream turbine.
  • a first part of the hot gases is branched off after the high-pressure turbine 7 and a second part is expanded in the low-pressure turbine 107 with power output and recirculated after delivery of the usable heat and recooling.
  • That power plant For returning the recooled recycle stream 21 and mixing the recooled recirculation stream 21 with the intake air 2, that power plant comprises a recycle line, a HRSG 9, and a condenser 27 condenser.
  • the live steam 30 of the HRSG 9 becomes power output to a steam turbine 13 or beneficial to power - Heat coupling, also called cogeneration used.
  • the steam turbine 13 drives a generator 26 via a shaft in the example shown.
  • the HRSG 9 with steam cycle is shown in a very simplified way. Condenser, feedwater pumps and known components of the steam cycle are not shown for simplicity. Typically, the steam cycle is performed as a multi-pressure circuit.
  • the branched first partial flow is cooled in a HRSG 104 and then supplied to the fuel cell 15 as the cathode mass flow 20. Subsequently, the low-CO2 exhaust gases 22 are relaxed with power output in the exhaust gas turbine 1 16 before they are released as a low-carbon exhaust gas through a chimney 32 to the environment. To use the residual heat of the low-CO2 exhaust gases 22 downstream of the exhaust gas turbine 1 16 another HRSG with steam cycle or integration into one of the existing steam cycles be provided (not shown).
  • the fuel cell 15 corresponds, for example, to the embodiments of FIG. 1 or FIG. 2. Since the fuel cell 15 is operated under pressure in this example, it can be made smaller than in the examples of FIGS. 1 and 2, which leads to a cost reduction.
  • the exhaust gas turbine 16 drives, for example, a generator 129.
  • Fuel cell 15 is also supplied with a fuel 28.
  • the anode exhaust 35 may be partially recirculated to the cathode inlet.
  • the remaining part of the anode exhaust gas is treated and typically compressed as CO2 stream for transport or storage.
  • steam When cooling the bleed stream in the HRSG 104, steam is generated which delivers power in a steam turbine 123 of a steam cycle.
  • the power is transmitted via a shaft to a generator 1 19.
  • This steam or other vapor stream is superheated in a steam cooled diffuser 128 and / or conduits through which the bleed stream from the turbine is branched off.
  • Other components of the steam cycle such as auxiliary systems, condenser and feedwater pumps are not shown here and in the following pictures for simplicity.
  • Fuel cell 15 is provided, which allows the cathode mass flow 20 to be supplied directly from the HRSG 104 of the exhaust gas turbine 1 16.
  • Second generator 27 Exhaust gas recirculation recooler (for recirculation mass flow)

Abstract

The invention relates to gas turbine power plants having a fuel cell, characterized by a new process control that integrates CO2 removal into the power plant process in an optimized manner, and to a method for operating such a power plant. The core of the invention is a method for operating a gas turbine power plant having exhaust gas recirculation into the intake flow of the gas turbine (6) and having a fuel cell (15), wherein CO2 is removed from the exhaust gases not recirculated in the fuel cell. To optimize the overall power and the overall efficiency of the power plant, the recirculation mass flow rate (21) is controlled in such a way that the exhaust gas composition of the gas turbine enables optimal operation of the downstream at least one fuel cell under the constraint of stable, efficient gas turbine operation. The invention further relates to a power plant for performing the method.

Description

Gasturbine mit Schmelzkarbonatbrennstoffzelle Gas turbine with molten carbonate fuel cell
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit einer Schmelzkarbonatbrennstoffzelle sowie ein Kraftwerk mit Gasturbine und Schmelzkarbonatbrennstoffzelle.The invention relates to a method for operating a gas turbine with a molten carbonate fuel cell and a power plant with gas turbine and molten carbonate fuel cell.
Stand der TechnikState of the art
Aufgrund der allgemein anerkannten Gefahr einer Klimaveränderung, besteht ein weltweites Interesse den Ausstoss von Treibhausgasen, insbesondere an CO2 (Kohlendioxyd) zu reduzieren. Als realistischer Schritt den CO2 Ausstoss in die Atmosphäre innerhalb relativ kurzer Zeit zu reduzieren wird die sogenannte CCS (carbon capture and storage) oder CO2-Sequestrierung, dass heisst die Abtrennung des CO2 aus dem Wärmekraftprozess eines Kraftwerkes und von der Atmosphäre getrennte Lagerung des abgetrennten CO2, angesehen. Die CO2 Abtrennung erfolgt entweder aus den Abgasen nach der Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes oder durch eine chemische Reaktion, bei der der Kohlenstoff aus dem Brennstoff vor der Verbrennung abgeschieden wird. Die Regeneration von Absorbern, Adsorbern oder anderen Mitteln zur CO2 Abscheidung ist Bestandteil des CCS Prozesses.Due to the generally accepted risk of climate change, there is a worldwide interest in reducing greenhouse gas emissions, in particular of CO 2 (carbon dioxide). As a realistic step to reduce the CO 2 emission into the atmosphere within a relatively short time, the so-called CCS (carbon capture and storage) or CO 2 sequestration, that is the separation of CO 2 from the heat energy process of a power plant and the atmosphere separate storage of the separated CO 2 . The CO 2 separation takes place either from the exhaust gases after the combustion of a carbonaceous fuel or by a chemical reaction in which the carbon is separated from the fuel before combustion. The regeneration of absorbers, adsorbers or other means for CO 2 separation is part of the CCS process.
Die Abscheidung von CO2 nach der Verbrennung, auch Backend Capture oder Post Combustion Capture genannt, ist eine der vielversprechendsten CCS Technologien und auch für Gasturbinen- und Kombi-Kraftwerke anwendbar. Die herkömmlichen CCS Technologien benötigen eine relative hohe Leistung. Um den negativen Einfluss von CCS auf Leistung und Wirkungsgrad zu minimieren wurde in der US7396603 die Kombination von herkömmlichen Kraftwerken mit Schmelzkarbonatbrennstoffzellen, vorgeschlagen.Post-combustion CO 2 capture, also known as backend capture or post-combustion capture, is one of the most promising CCS technologies and also applicable to gas turbine and combined cycle power plants. Traditional CCS technologies require relatively high power. In order to minimize the negative impact of CCS on performance and efficiency, US7396603 has proposed the combination of conventional power plants with molten carbonate fuel cells.
Die Anwendung von Schmelzkarbonatbrennstoffzellen zur Reduktion der CO2 Emissionen von Gasturbinenkraftwerken wurde weiter von J. Milewski et al. in „THE REDUCTION OF CO2 EMISSIONS OF GAS TURBINE POWER PLANTS BY USING OF A MOLTEN CARBONATE FUEL CELL" (ASME Turbo Expo 2007: Power Land, Sea Air, 2007, Montreal, Canada, GT2007-27030) beschrieben.The use of molten carbonate fuel cells to reduce CO 2 emissions from gas turbine power plants has been further described by J. Milewski et al. in "THE REDUCTION OF CO 2 EMISSIONS OF GAS TURBINE POWER PLANTS BY USING OF A MOLTEN CARBONATE FUEL CELL" (ASME Turbo Expo 2007: Power Land, Sea Air, 2007, Montreal, Canada, GT2007-27030).
Die Anwendung von Schmelzkarbonatbrennstoffzellen zur Reduktion der CO2 Emissionen von Gasturbinenkraftwerken ist jedoch nicht unproblematisch, da der CO2- Gehalt in den Gasturbinenabgasen, wie auch von J. Milewski et al. beschrieben wurde, für einen effektiven Betrieb vonHowever, the use of molten carbonate fuel cells to reduce the CO 2 emissions of gas turbine power plants is not without problems, since the CO 2 - content in the gas turbine exhaust gases, as well as by J. Milewski et al. described for effective operation of
Schmelzkarbonatbrennstoffzellen niedrig ist. Aufgrund des grossen zu behandelnden Abgasmassenstromes einer Gasturbine sind ausserdem grosse Anordnungen von Brennstoffzellen nötig, die mit hohen Kosten verbunden sind. Weiter ändern sich die Abgastemperatur und Abgaszusammensetzung einer Gasturbine abhängig von den Betriebsbedingungen stark. Insbesondere dieMolten carbonate fuel cells is low. Due to the large exhaust gas mass flow of a gas turbine to be treated also large arrangements of fuel cells are necessary, which are associated with high costs. Further, the exhaust gas temperature and exhaust gas composition of a gas turbine greatly change depending on the operating conditions. especially the
Kompressoreintrittstemperatur und die Last der Gasturbine führen zu Änderungen der Abgastemperatur und Abgaszusammensetzung, so dass ein optimaler Betrieb der Brennstoffzelle nicht gewährleistet werden kann.Compressor inlet temperature and the load of the gas turbine lead to changes in the exhaust gas temperature and exhaust gas composition, so that an optimal operation of the fuel cell can not be guaranteed.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der vorliegenden Erfindung ist die Aufgabe gestellt, ein kostengünstiges Verfahren zu einem auf Gesamtwirkungsgrad optimierten Betrieb eines Gasturbinen- Brennstoffzellenkraftwerks mit CO2 Abscheidung, sowie ein Kraftwerk zur Durchführung dieses Verfahrens vorzuschlagen.The present invention has the object of providing a cost-effective method for an overall efficiency optimized operation of a gas turbine fuel cell power plant with CO 2 deposition, and to propose a power plant for carrying out this method.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Als Gasturbinen- Brennstoffzellenkraftwerk wird dabei ein auf einer Gasturbine basierendes Kraftwerk bezeichnet, aus dessen Abgasen oder mindestens aus einem Teilmassenstrom der Abgase mit Hilfe mindestens einer Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (im weiteren als Brennstoffzelle bezeichnet) CO2 abgeschieden wird. Typischerweise wird die nutzbare Wärme oder Abwärme der Abgase in mindestens einem Abwärmekessel weiter genutzt. Der in dem mindestens einen Abwärmekessel erzeugte Dampf wird zur Erzeugung elektrischer Energie in einer Dampfturbine unter Arbeitsabgabe entspannt oder als Prozesswärme in einer Kraft- Wärmekopplung weiter genutzt.According to the invention, this object is achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims. As a gas turbine fuel cell power plant while a gas turbine based power plant is called from the exhaust gases or at least from a partial mass flow of the exhaust gases using at least one molten carbonate fuel cell (hereinafter referred to as fuel cell) CO 2 is deposited. Typically, the usable heat or waste heat of the exhaust gases in at least one waste heat boiler is used. The steam generated in the at least one waste heat boiler is expanded to produce electrical energy in a steam turbine under work or used as process heat in a combined heat and power.
Das wesentliche Element der CO2- Abscheidung ist die Brennstoffzelle. Sie wird auf der Katodenseite mit Abgasen der Gasturbine versorgt und auf der Anodenseite mit Brennstoff versorgt. Bei einer Brennstoffzelle mit interner Reformierung können fossile Brenngase wie Methan oder Erdgas direkt genutzt werden. Bei anderen Brennstoffzellen wird Wasserstoff als Brenngas verwandt oder es ist eine externe Reformierung vor der Brennstoffzelle vorzusehen.The essential element of CO 2 separation is the fuel cell. It is supplied with exhaust gas from the gas turbine on the cathode side and supplied with fuel on the anode side. In a fuel cell with internal reforming fossil fuel gases such as methane or natural gas can be used directly. In other fuel cells, hydrogen is used as fuel gas or it is an external reforming before the fuel cell provided.
In der Brennstoffzelle reagiert der reformierte Wasserstoff der Annodenseite mit den Abgasen der Kathodenseite. Dabei wird elektrische Energie erzeugt und der grösste Teil des CO2 auf die Anodenseite transportiert und über den Austritt der Katodenseite abgeleitet. Weiter entsteht als Reaktionsprodukt Wasser, dass ebenfalls auf der Anodenseite dampfförmig abgegeben wird. Das Wasser kann durch Kondensation leicht abgeschieden werden. Je nach weiterer Verwendung kann der CO2 reiche Abgasstrom der Anode nach Auskondensation des Wassers direkt weiter geleitet werden oder einer weiteren Aufbereitung zugeführt werden. Aus der Katodenseite tritt Abgas mit reduziertem CO2- und Sauerstoffgehalt aus, das über einen Kamin an die Umwelt abgegeben werden kann.In the fuel cell, the reformed hydrogen of the anode side reacts with the exhaust gases of the cathode side. In this case, electrical energy is generated and transported most of the CO 2 to the anode side and derived via the outlet of the cathode side. Next arises as the reaction product water, which is also released in vapor form on the anode side. The water can be easily separated by condensation. Depending on further use, the CO 2- rich exhaust gas stream of the anode can be forwarded directly after condensation of the water or be fed to a further treatment. From the cathode side occurs exhaust gas with reduced CO 2 - and oxygen content, which can be discharged through a fireplace to the environment.
Der Kern der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinen- Kraftwerks mit Abgasrezirkulation in den Ansaugstrom der Gasturbine und mindestens einer Brennstoffzelle, wobei CO2 aus den nicht rezirkulierten Abgasen in der mindestens einen Brennstoffzelle abgeschieden wird, sowie ein Kraftwerk zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Rezirkulationsmassenstrom zur Optimierung der Gesamtleistung und des Gesamtwirkungsgrads des Kraftwerkes geregelt wird. Dafür wird der Rezirkulationsmassenstrom so geregelt, dass unter der Randbedingung eines stabilen Gasturbinenbetriebs die Abgaszusammensetzung der Gasturbine einen optimalen Betrieb der nachgeschalteten mindestens einen Brennstoffzelle ermöglicht. Für einen optimalen Betrieb der Brennstoffzelle wird der CO2- Gehalt der Abgase durch Rezirkulation erhöht, soweit dies die damit verbundene Absenkung des Sauerstoffgehaltes zuläst.The gist of the invention is a method of operating a gas turbine power plant with exhaust gas recirculation into the intake stream of the gas turbine and at least one fuel cell, wherein CO 2 is separated from the non-recirculated exhaust gases in the at least one fuel cell, and a power plant to carry out the process. The method is characterized in that the recirculation mass flow is controlled to optimize the overall performance and the overall efficiency of the power plant. For this purpose, the recirculation mass flow is regulated such that, under the boundary condition of stable gas turbine operation, the exhaust gas composition of the gas turbine enables optimum operation of the downstream at least one fuel cell. For optimal operation of the fuel cell, the CO 2 - content of the exhaust gases is increased by recirculation, as far as this allows the associated reduction in the oxygen content.
Als stabiler Gasturbinenbetrieb wird dabei ein Betrieb verstanden, in dem die Verbrennung vollständig und ohne starke Brennkammerpulsationen, wie sie bei zu tiefer Verbrennungstemperatur und zu geringem Sauerstoffgehalt auftreten können, erfolgt.A stable gas turbine operation is understood to mean an operation in which the combustion takes place completely and without strong combustion chamber pulsations, which can occur if the combustion temperature is too low and the oxygen content is too low.
In dem vorgeschlagenen neuen Verfahren kann durch die Regelung des Rezirkulationsmassenstroms die Abgaszusammensetzung für den gesamten Betriebsreich, insbesondere auch für Teillast, an die Erfordernisse der nachgeschalteten Brennstoffzelle angepasst werden.In the proposed new method, by regulating the recirculation mass flow, the exhaust gas composition for the entire operating range, in particular also for partial load, can be adapted to the requirements of the downstream fuel cell.
Die Abgaszusammensetzung einer Gasturbine, insbesondere die CO2- und Sauerstoffkonzentration der Abgase oder der CO2- Gehalt und Sauerstoffgehalt, ist von der Zusammensetzung der Verdichteransauggase sowie verschieden Betriebsparametern abhängig. Eine Regelung des Rezirkulationsmassenstroms zur Anpassung an die Erfordernisse der nachgeschalteten Brennstoffzelle kann entsprechend als Funktion mindestens eines Betriebsparameters der Gasturbine geregelt werden. Beispielsweise kann der Rezirkulationsmassenstrom als Funktion der Last der Gasturbine und/ oder der Turbineneintrittstemperatur und/ oder der Position der mindestens einen verstellbaren Verdichtervorleitreihe zur Optimierung der Abgaszusammensetzung für die nachgeschaltete Brennstoffzelle geregelt werden. In einer weiteren Ausführung wird für die Regelung der Abgaszusammensetzung eine Online Gasanalyse der Gasturbinenabgase zwischen Gasturbine und Eintritt in die Brennstoffzelle vorgeschlagen. Alternativ kann auch eine Online Gasanalyse des Rezirkulationsmassenstroms oder der Gasturbinen- Ansaugluft nach Zumischung des Rezirkulationsmassenstromes durchgeführt werden.The exhaust gas composition of a gas turbine, in particular the CO 2 and oxygen concentration of the exhaust gases or the CO 2 content and oxygen content, is dependent on the composition of the compressor intake gases and various operating parameters. A regulation of the recirculation mass flow for adaptation to the requirements of the downstream fuel cell can be regulated accordingly as a function of at least one operating parameter of the gas turbine. For example, the recirculation mass flow can be regulated as a function of the load of the gas turbine and / or the turbine inlet temperature and / or the position of the at least one adjustable Verdichtervorleitreihe to optimize the exhaust gas composition for the downstream fuel cell. In a further embodiment, an online gas analysis of the gas turbine exhaust gases between gas turbine and entry into the fuel cell is proposed for the regulation of the exhaust gas composition. Alternatively, an online gas analysis of the recirculation mass flow or of the gas turbine intake air can also be carried out after admixing the recirculation mass flow.
Neben CO2- und Sauerstoffgehalt Gehalt im Abgas kann ausserdem die TAT (Turbinenaustrittstemperatur) und damit die Eintrittstemperatur in die Brennstoffzelle durch Variation des Rezirkulationsmassenstroms und/ oder der Temperatur des Rezirkulationsmassenstroms nachgeregelt werden. Insbesondere kann hierfür die Temperatur, auf die der Rezirkulationsmassenstrom rückgekühlt wird, verwendet werden.In addition to CO 2 and oxygen content content in the exhaust gas, the TAT (turbine outlet temperature) and thus the inlet temperature into the fuel cell can also be readjusted by varying the recirculation mass flow and / or the temperature of the recirculation mass flow. In particular, the temperature to which the recirculation mass flow is recooled can be used for this purpose.
Solange die Gasturbine nicht durch ein TAT Limit begrenzt ist, ist bei konstanter relativer Last die TAT proportional zur Kompressoreintrittstemperatur. Dabei ist als relative Last das Verhältnis von aktueller Leistung zur Volllastleistung bei den gleichen ambienten Randbedingungen, insbesondere bei gleicher Eintrittstemperatur bezeichnet. Beispielsweise führt eine Erhöhung der Kompressoreintrittstemperatur bei konstanter relativer Last zur TAT- Erhöhung. Die TAT kann daher ohne in das Betriebskonzept der Gasturbine einzugreifen durch eine Regelung der Verdichtereintrittstemperatur beeinflusst oder nachgeregelt werden.As long as the gas turbine is not limited by a TAT limit, the TAT is proportional to the compressor inlet temperature at a constant relative load. In this case, the ratio of current power to full load power at the same ambient boundary conditions, in particular at the same inlet temperature is referred to as a relative load. For example, increasing the compressor inlet temperature at a constant relative load will increase the TAT. The TAT can therefore be influenced or readjusted by regulating the compressor inlet temperature without interfering with the operating concept of the gas turbine.
In einer weiteren Ausführung wird die Eintrittstemperatur in die Brennstoffzelle mit einem, zwischen Gasturbine und Brennstoffzelle angeordneten, Temperatur- Regel- Abwärmekessel geregelt. Dieser hat hauptsächlich die Funktion, die Gasturbinenabgase auf die für den Betrieb der Brennstoffzelle optimale Brennstoffzelleneintrittstemperatur abzukühlen. Abhängig von der Bauart der Gasturbine und deren Betriebspunkt liegt die TAT über der optimalen Brennstoffzelleneintrittstemperatur. Mit einem Abwärmekessel, dessen abgeführte Wärme regelbar ist, kann die Brennstoffzelleneintrittstemperatur über weite Lastbereiche geregelt werden. Die Brennstoffzelleneintrittstemperatur kann allein über einen Temperatur- Regel- Abwärmekessel oder in Kombination mit der TAT- Regelung geregelt werden. Die in diesem Kessel abgeführte Abwärme wird nutzbringend zum Beispiel in einem Wasser- Dampf- Kreislauf genutzt.In a further embodiment, the inlet temperature is regulated in the fuel cell with a, arranged between the gas turbine and the fuel cell, temperature control waste heat boiler. This has mainly the function of cooling the gas turbine exhaust gases to the optimum for the operation of the fuel cell fuel cell inlet temperature. Depending on the design of the gas turbine and its operating point, the TAT is above the optimum fuel cell inlet temperature. With a waste heat boiler whose dissipated heat can be regulated, the fuel cell inlet temperature can be regulated over wide load ranges. The fuel cell inlet temperature can be alone be controlled by a temperature control waste heat boiler or in combination with the TAT control. The waste heat dissipated in this boiler is used profitably, for example in a water-steam cycle.
Ein wichtiger Schritt zur Wirkungsgraderhöhung ist es, durch Abgasrezirkulation den CO2- Gehalt der Abgase für einen effektiven Betrieb der Brennstoffzelle zu erhöhen. In einer weiteren Ausführung wird CO2 aus dem Annodenaustritt der Brennstoffzelle zur Erhöhung des CO2- Gehaltes in den Katodenmassenstrom vor oder beim Eintritt in die Brennstoffzelle rezirkuliert. Die Abzweigung zur Rezirkulation ist unmittelbar nach der Brennstoffzelle, nach bzw. aus dem der Anode nachgeschalteten Abwärmekessel, nach der Wasserabscheidung oder nach einer weiteren Aufbereitung des Anodenabgasstroms möglich. Bei einer Abzweigung vor dem Abwärmekessel kann ein separater Abwärmekessel für den rezirkulierten CO2- reichen Massenstrom vorgesehen werden, damit die Eintrittstemperatur in die Brennstoffzelle in dem optimalen Betriebsbereich gehalten wird. Bei Rezirkulation von CO2 nach der Wasserabscheidung oder nach einer weiteren Aufbereitung kann eine Vorwärmung des rezirkulierten CO2- Stromes vor der Zumischung zu dem Katodenmassenstrom vorteilhaft sein. Dies kann beispielsweise durch Wärmetausch in einem der Abwärmekessel stattfinden oder im Wärmetausch mit den Abgasen stattfinden. Bei einer Entnahme aus dem Abwärmekessel kann der Rezirkulationsmassenstrom direkt auf dem optimalen Temperaturniveau abgezweigt werden. Diese CO2- Rezirkulation bietet einen zusätzlichen Parameter zur Regelung des CO2- Gehaltes und der Temperatur des Katodenmassenstrom am Brennstoffzelleneintritt.An important step towards increasing efficiency is to increase the CO 2 content of the exhaust gases by means of exhaust gas recirculation for effective operation of the fuel cell. In a further embodiment, CO 2 is recirculated from the anode outlet of the fuel cell to increase the CO 2 content in the cathode mass flow before or during entry into the fuel cell. The diversion to recirculation is possible immediately after the fuel cell, to and from the anode downstream waste heat boiler, after the separation of water or after further treatment of the anode exhaust stream. At a branch off the waste heat boiler, a separate waste heat boiler for the recirculated CO 2 rich mass flow may be provided to maintain the inlet temperature to the fuel cell in the optimum operating range. In the case of recirculation of CO 2 after the separation of water or after further treatment, it may be advantageous to preheat the recirculated CO 2 stream before it is added to the cathode mass flow. This can take place for example by heat exchange in one of the waste heat boiler or take place in heat exchange with the exhaust gases. Upon removal from the waste heat boiler, the recirculation mass flow can be diverted directly to the optimum temperature level. This CO 2 recirculation provides an additional parameter for controlling the CO 2 content and the temperature of the cathode mass flow at the fuel cell inlet.
Um eine Rezirkulation von CO2 zu ermöglichen, kann eine Reduktion der Abgasrezirkulation erforderlich sein, um einen für die Brennstoffzelle ausreichenden Sauerstoffgehalt zu gewährleisten.In order to allow recirculation of CO 2 , a reduction of the exhaust gas recirculation may be required to ensure sufficient oxygen content for the fuel cell.
Durch Regelung des Rezirkulationsmassenstroms, der Temperatur der rezirkulierten Abgase und des rezirkulierten CO2- Stroms sowie der Temperatur des rezirkulierten CO2- Stroms erhält man neue Regelgrössen, mit denen die TAT bzw. die Brennstoffzellen- Eintrittstemperatur auch bei Teillast in dem für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderlichen Temperaturbereich gehalten werden kann.By controlling the recirculation mass flow, the temperature of the recirculated exhaust gases and the recirculated CO 2 - stream and the temperature of the recirculated CO 2 - stream to get new control variables, with which the TAT or the fuel cell inlet temperature can be maintained even at partial load in the temperature range required for the operation of the fuel cell.
Als Randbedingung bei der Regelung des Rezirkulationsmassenstroms der Gasturbine muss gewährleistet sein, dass der Sauerstoffgehalt in der Gasturbinen- Ansaugluft zur sauberen vollständigen Verbrennung ausreicht, und dass der Sauerstoffgehalt in den Gasturbinen- Abgasen für den Betrieb der Brennstoffzelle ausreicht.As a boundary condition in the regulation of the recirculation mass flow of the gas turbine, it must be ensured that the oxygen content in the gas turbine intake air is sufficient for clean, complete combustion, and that the oxygen content in the gas turbine exhaust gases is sufficient for the operation of the fuel cell.
Je nach weiterer Verwendung der CO2- reichen Anodenabgase kann eine Wasserabscheidung mit nachfolgender CO2 Abscheidung erforderlich sein. Aufgrund der hohen CO2 Konzentration in den Anodenabgasen ist eine CO2 Abscheidung beispielsweise durch CO2 Absorption mit relativ wenig Energieaufwand möglich. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Brennstoffzelle mit unvollständiger Brennstoffumsetzung betrieben wird und ein relativ hoher Anteil an unverbrannten Brenngasen in den Anodenabgasen verbleibt. Der unverbrannte Brennstoff kann nach der CO2 Abscheidung weiter verwendet werden. Beispielsweise kann der unverbrannte Brennstoff zusammen mit anderen in dem Abgas verbleibenden Gasen nutzbringend in den Anodeneintritt rezirkuliert werden.Depending on the further use of the CO 2 -rich anode exhaust gases, a water separation with subsequent CO 2 separation may be required. Due to the high CO 2 concentration in the anode exhaust gases, a CO 2 separation is possible, for example by CO 2 absorption with relatively little energy. This can be particularly advantageous when the fuel cell is operated with incomplete fuel conversion and a relatively high proportion of unburned fuel gases remains in the anode exhaust gases. The unburned fuel can continue to be used after CO 2 separation. For example, the unburned fuel may be beneficially recirculated to the anode inlet along with other gases remaining in the exhaust gas.
Ein Betrieb der Brennstoffzelle mit unvollständiger Brennstoffumsetzung führt typischerweise zu einem höheren Wirkungsgrad des in der Brennstoffzelle umgesetzten Brennstoffes, weshalb ein Betrieb mit unvollständiger Brennstoffumsetzung und CO2 Abscheidung vorteilhaft sein kann.Operation of the fuel cell with incomplete fuel conversion typically results in higher fuel cell fuel efficiency and, therefore, incomplete fuel conversion and CO 2 separation operation may be advantageous.
Eine weitere Möglichkeit die Brennstoffzelle mit unvollständiger Brennstoffumsetzung betreiben zu können ist die Kombination mit mindestens einem katalytischen Brenner. Dieser kann entweder in den Austrittsbereich der Brennstoffzelle integriert sein oder separat in den Abgasströmen der Brennstoffzelle angeordnet sein. Je nach Brennstoffzellenart und Betriebszustand sind die Abgase mit hohen Emissionen und Verunreinigungen belastet. Durch die nachfolgende Verbrennung in einem katalytischen Brenner kann die Reinheit der Abgase erhöht werden. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn als Nachbehandlung nur eine Wasserabscheidung vorgesehen ist. Damit wird der Gesamtaufbau und Prozess vereinfacht. Die bei der katalytischen Verbrennung frei werdende Wärme wird ausserdem nutzbringend in dem nachgeschalteten Abwärmekessel verwendet.Another way to operate the fuel cell with incomplete fuel conversion is the combination with at least one catalytic burner. This can either be integrated in the outlet region of the fuel cell or be arranged separately in the exhaust gas streams of the fuel cell. Depending on the fuel cell type and operating condition, the exhaust gases are loaded with high emissions and impurities. By subsequent combustion in a catalytic burner, the purity of the exhaust gases can be increased. This can be advantageous in particular if only a water separation is provided as aftertreatment. This simplifies the overall structure and process. The heat released by the catalytic combustion is also usefully used in the downstream waste heat boiler.
Ein Vorteil Vorteil des Verfahrens mit Abgasrezirkulation ist die Erhöhung des CO2- Gehaltes in den Abgasen, der zu einer Erhöhung des Brennstoffzellenwirkungsgrads führt. Weiter wird der Katodenmassenstrom der zu behandelnden Abgase reduziert, wodurch die Grosse der Brennstoffzelle und damit die Anlagenkosten reduziert werden können.An Advantage Advantage of the exhaust gas recirculation process is the increase in CO 2 content in the exhaust gases which results in an increase in fuel cell efficiency. Further, the cathode mass flow of the exhaust gases to be treated is reduced, whereby the size of the fuel cell and thus the system costs can be reduced.
Weiter kann der CO2- Gehalt über einen weiten Betriebsbereich nahe des Optimums gehalten werden, so dass auch der Teillastwirkungsgrad der Brennstoffzelle und damit des Gesamtkraftwerks erhöht wird.Furthermore, the CO 2 content can be kept close to the optimum over a wide operating range, so that the partial load efficiency of the fuel cell and thus of the entire power plant is also increased.
Um einen hohen Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerkes zu erzielen, wird in weiteren Ausführungen die nutzbare Abwärme von mindestens einem Teil der Rezirkulationsströme und der Abgasströme in mindestens einem Abwärmekessel zur Dampferzeugung genutzt. Der Dampf kann nutzbringend zur Kraft- Wärmekopplung verwendet werden oder unter Arbeitsabgabe zum Antrieb eines Generators in einer Dampfturbine entspannt werden.In order to achieve a high overall efficiency of the power plant, in other embodiments, the usable waste heat from at least a portion of the recirculation streams and the exhaust gas streams is used in at least one waste heat boiler for steam generation. The steam can be usefully used for combined heat and power or be relaxed under work to drive a generator in a steam turbine.
In einer weiteren Ausführung wird das Verfahren auf ein Kraftwerk mit einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung vorgeschlagen. Herkömmliche Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung sind beispielsweise aus der EP0620362 bekannt. Eine derartige Gasturbine hat mindestens einen Verdichter, dem eine erste Brennkammer und eine erste Turbine folgt. Der Abgasstrom der ersten Turbine wird in einer zweiten Brennkammer wieder erwärmt, bevor er in einer zweiten Turbine weiter entspannt wird. Gasturbinen mir sequentieller Verbrennung haben typischerweise den Vorteil einer hohen Turbinenaustrittstemperatur. Damit werden in einem weiten Betriebsbereich, typischerweise ab etwa 40 % bis 50 % relativer Last bis zu Volllast, Randbedingungen für eine Temperatur- Regel- Abwärmekessel geschaffen, die es erlauben die Katodeneintrittstemperatur der Brennstoffzelle auf die optimale Temperatur ein zu stellen. Diese ist bauartspezifisch und liegt typischerweise im Bereich von etwa 550 °C bis 6500C, beispielsweise bei etwa 6000C.In another embodiment, the method is proposed for a sequential combustion gas turbine power plant. Conventional gas turbines with sequential combustion are known, for example, from EP0620362. Such a gas turbine has at least one compressor followed by a first combustion chamber and a first turbine. The exhaust gas flow of the first turbine is reheated in a second combustion chamber before it is further expanded in a second turbine. Gas turbines with sequential combustion typically have the advantage of a high Turbine outlet temperature. Thus, in a wide operating range, typically from about 40% to 50% relative load to full load, boundary conditions for a temperature control waste heat boiler are created, which make it possible to set the cathode inlet temperature of the fuel cell to the optimum temperature. This is design-specific and is typically in the range of about 550 ° C to 650 0 C, for example at about 600 0 C.
Neben dem Verfahren ist ein Kraftwerk zur Durchführung des Verfahrens Gegenstand der Erfindung. Ein Kraftwerk zur Durchführung besteht aus mindestens einer Gasturbine, mindestens einer Brennstoffzelle und mindestens einer Leitung zur Abgasrezirkulation eines Teils des Abgasstromes der Gasturbine in die Ansaugluft der Gasturbine.In addition to the method, a power plant for carrying out the method is the subject of the invention. A power plant for implementation consists of at least one gas turbine, at least one fuel cell and at least one line for exhaust gas recirculation of a portion of the exhaust gas stream of the gas turbine in the intake air of the gas turbine.
Zur Regelung des Rezirkulationsmassenstroms wird im Abgasstrom der Gasturbine entweder eine verstellbare Klappe, ein fester Abgasteiler mit anschliessendem Regelelement, wie einer Klappe oder einem Ventil, ein regelbares Gebläse oder eine anderes geeignetes Steuerorgan vorgesehen.To control the recirculation mass flow either an adjustable flap, a fixed exhaust divider with subsequent control element, such as a flap or a valve, a controllable fan or other suitable control member is provided in the exhaust stream of the gas turbine.
Um die Abwärme der Gasturbine und/ oder der Brennstoffzelle zu nutzen, ist typischerweise mindestens ein Abwärmekessel stromab der Gasturbine und/ oder stromab der Brennstoffzelle angeordnet. Typischerweise ist weiter ein Abwärmekessel in dem Rezrikulationsstrom angeordnet.In order to utilize the waste heat of the gas turbine and / or the fuel cell, typically at least one waste heat boiler is arranged downstream of the gas turbine and / or downstream of the fuel cell. Typically, a waste heat boiler is further disposed in the recycle stream.
Zur besseren Kontrolle der Eingangstemperatur der Brennstoffzelle kann ein Abwärmekessel zwischen Gasturbine und Katodeneintritt der Brennstoffzelle angeordnet sein. Um eine Temperaturkontrolle zu ermöglichen zeichnet sich dieser Abwärmekessel beispielsweise dadurch aus, dass die Speisewassermenge abhängig von der Austrittstemperatur der Abgase geregelt wird.For better control of the input temperature of the fuel cell, a waste heat boiler between gas turbine and cathode inlet of the fuel cell can be arranged. In order to allow a temperature control, this waste heat boiler is characterized for example by the fact that the feed water quantity is regulated depending on the outlet temperature of the exhaust gases.
Um eine weitere Möglichkeit zur Regelung des CO2- Gehalts derAnother way to regulate the CO 2 content of the
Katodeneintrittsgase der Brennstoffzelle zu schaffen, kann eine CO2- Rezirkulationssleitung von den Abgasen der Anodenseite der Brennstoffzelle in Abgasleitung der Gasturbine stromauf des Katodeneintritts der Brennstoffzelle angeordnet werden. Als Regelelement kann in der Rezirkulationsleitung oder in deren Anschlüssen beispielsweise ein Ventil oder eine verstellbare Klappe in Kombination mit einem Gebläse vorgesehen werden. Alternativ kann beispielsweise ein regelbares CO2- Rezirkulationsgebläse in der CO2- Rezirkulationsleitung oder in deren Anschlüssen angeordnet werden.To provide cathode entrance gases of the fuel cell, a CO 2 - recirculation line from the exhaust gases of the anode side of the fuel cell in the gas turbine exhaust pipe upstream of the cathode inlet of the fuel cell to be ordered. As a control element, for example, a valve or an adjustable flap in combination with a blower can be provided in the recirculation line or in its connections. Alternatively, for example, a controllable CO 2 recirculation fan can be arranged in the CO 2 recirculation line or in its connections.
Mit diesem zusätzlichen Regelglied kann in Kombination mit der Abgasrezirkulation der Gasturbine der CO2- Gehalt in einem weiten Betriebsbereich des Kraftwerks für einen optimierten Betrieb der Brennstoffzelle geregelt werden. Als weiter Betriebsbereich ist hier typischerweise der Bereich von Volllast bis etwa 50% Last bezeichnet. Die vorgeschlagene Kombination kann je nach Auslegung der Gasturbine und der Rezirkulationsleitungen sogar eine Optimierung des CO2- Gehaltes bis zu tieferer Teillast, beispielsweise bis zu 30% Teillast oder weniger, ermöglichen. Um die Abgaszusammensetzung noch besser Regeln zu können, kann weiter eine Rezirkulation von Anodenabgas nicht nur in den Katodeneintritt der Brennstoffzelle sondern auch in den Verdichteransaugstrom der Gasturbine vorgesehen sein. Durch Regelglieder und soweit erforderlich Gebläse können die Rezirkulatiosanteile geregelt werden.With this additional control element, the CO 2 content can be regulated in a wide operating range of the power plant for optimized operation of the fuel cell in combination with the exhaust gas recirculation of the gas turbine. As a broad operating range, this typically refers to the range from full load to about 50% load. Depending on the design of the gas turbine and the recirculation lines, the proposed combination can even optimize the CO 2 content up to a lower partial load, for example up to 30% partial load or less. In order to be able to regulate the exhaust gas composition even better, recirculation of anode exhaust gas can be provided not only in the cathode inlet of the fuel cell but also in the compressor intake flow of the gas turbine. By regulating members and if necessary blowers the recirculation shares can be regulated.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben und ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Alle erläuterten Vorteile sind nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages and embodiments of the invention are described in the subclaims and emerge from the description and the accompanying drawings. All explained advantages can be used not only in the respectively specified combinations, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the invention.
Eine Ausführung zeichnet sich beispielsweise durch einen Abgasbypass um die Brennstoffzelle aus. Dieser ermöglicht einen Betrieb der Gasturbine ohne die Brennstoffzelle, solange die Abgase der Gasturbine beim Start oder sehr tiefer Teillast, d.h. Lastpunkten von Lehrlauf bis zu beispielsweise etwa 30% Teillast, für den Betrieb der Brennstoffzelle zu kalt sind. Ausserdem ermöglicht sie den Betrieb der Gasturbine, wenn die Brennstoffzelle beispielsweise für Wartungen ausser Betrieb ist. Ein Gasturbinenkraftwerk im Sinne der Erfindung beinhaltet eine herkömmliche Gasturbine mit mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer und mindestens einer Turbine oder eine Gasturbine mit einer Aufteilung des Heissgasstroms der Gasturbine in zwei Teilströme nach einer Hochdruckturbine. Gasturbinen mit Aufteilung des Heissgasstroms der Gasturbine in zwei Teilströme nach einer Hochdruckturbine, sind in der PCT/EP2010/050606 beschrieben, welche durch Referenz in diese Anmeldung einbezogen ist. Typischerweise wird in einem derartigen Gasturbinenkraftwerk mindestens ein Teil der nutzbaren Abwärme in mindestens einem Abwärmekessel (HRSG Heat Recovery Steam Generator) zur Dampferzeugung und/ oder Erzeugung von elektrischer Leistung genutzt.One embodiment is characterized, for example, by an exhaust gas bypass around the fuel cell. This allows operation of the gas turbine without the fuel cell, as long as the exhaust gases of the gas turbine at start or very low partial load, ie load points of training up to, for example, about 30% partial load, are too cold for the operation of the fuel cell. In addition, it allows the operation of the gas turbine when the fuel cell, for example, for maintenance out of service. A gas turbine power plant according to the invention includes a conventional gas turbine with at least one compressor, at least one combustion chamber and at least one turbine or a gas turbine with a division of the hot gas flow of the gas turbine into two partial flows after a high-pressure turbine. Gas turbines with distribution of the hot gas flow of the gas turbine into two partial flows to a high-pressure turbine are described in PCT / EP2010 / 050606, which is incorporated by reference in this application. Typically, in such a gas turbine power plant at least a portion of the usable waste heat in at least one waste heat boiler (HRSG Heat Recovery Steam Generator) is used to generate steam and / or generate electrical power.
Bei Gasturbinen mit einer Aufteilung des Heissgasstroms der Gasturbine nach der Hochdruckturbine in zwei Teilströme verrichtet ein erster Teilstrom, auf herkömmliche Art Expansionsarbeit in einer Turbine, bevor seine Abwärme nutzbar, zum Beispiel in einem Abwärmekessel (auch HRSG oder Heat Recovery Steam Generator genannt), abgeleitet wird und die Gase in den Ansaugstrom der Gasturbine rezirkuliert werden. Ein zweiter Teilstrom, der Abgasstrom, wird nach der Hochdruckturbine abgezweigt und gekühlt, z.B. durch Wärmeabgabe in einem HRSG, bevor CO2 aus diesem Abgasstrom auf erhöhtem Druckniveau abgeschieden wird. Bei der Anwendung in Kombination mit einer Brennstoffzelle wird diese Abkühlung auf ein Temperaturniveau durchgeführt, das für die Einleitung in Katodenseite einer Brennstoffzelle geeignet ist. Das CO2- arme Abgas der Brennstoffzelle wird anschliessend unter Arbeitsabgabe in einer Turbine auf Umgebungsdruck expandiert. Je nach Ausführungsform können die Abgase vor der Expansion durch Wärmetausch mit einem wärmeren Abgasstrom zur Leistungserhöhung erwärmt werden. Kurze Beschreibung der ZeichnungenIn gas turbines with a split of the hot gas flow of the gas turbine to the high-pressure turbine in two sub-streams performs a first partial flow, in a conventional manner expansion work in a turbine before its waste heat usable, for example, in a waste heat boiler (also called HRSG or Heat Recovery Steam Generator called) derived and the gases are recirculated into the intake stream of the gas turbine. A second partial flow, the exhaust gas flow, is branched off to the high-pressure turbine and cooled, for example by heat emission in a HRSG, before CO2 is separated from this exhaust gas flow at an elevated pressure level. When used in combination with a fuel cell, this cooling is carried out to a temperature level suitable for introduction into the cathode side of a fuel cell. The low-carbon exhaust gas of the fuel cell is then expanded to ambient pressure while working in a turbine. Depending on the embodiment, the exhaust gases can be heated prior to expansion by heat exchange with a warmer exhaust gas flow to increase the power. Brief description of the drawings
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Fig. 1 bis 3 schematisch dargestellt.The invention is illustrated by means of embodiments in FIGS. 1 to 3 schematically.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 ein Gasturbinenkraftwerk mit Brennstoffzelle zur CO2 Abscheidung, einen Abgasteiler zur Aufteilung der Gasturbinenabgase in einen Rezirkulationsmassenstrom und einen Katodeneintrittsstrom,1 shows a gas turbine power plant with a fuel cell for CO 2 separation, an exhaust divider for dividing the gas turbine exhaust gases into a recirculation mass flow and a cathode inlet flow,
Fig. 2 ein Gasturbinenkraftwerk mit Brennstoffzelle zur CO2 Abscheidung, einen Temperatur- Regel- Abwärmekessel, einen Abgasteiler zur Aufteilung der Gasturbinenabgase in einen Rezirkulationsmassenstrom und einen Katodeneintrittsstrom, sowie in die Brennstoffzelle auf der Katoden- und Annodenseite an die Brennstoffzelle anschliessende katalytische Brenner,2 shows a gas turbine power plant with fuel cell for CO 2 separation, a temperature control waste heat boiler, an exhaust divider for dividing the gas turbine exhaust gases into a recirculation mass flow and a cathode inlet flow, and in the fuel cell on the cathode and Annodenseite to the fuel cell subsequent catalytic burner,
Fig. 3 den beispielhaft den Verlauf des CO2- Gehaltes in den Abgasen einer herkömmlichen Gasturbine ohne Rezirkulation, den Verlauf des CO2- Gehaltes in den Abgasen einer Gasturbine eines Gasturbinenkraftwerks mit Brennstoffzelle und Abgasrezirkulation sowie den zugehörigen Verlauf der Rezirkulationsrate über relativer Last,3 shows by way of example the course of the CO 2 content in the exhaust gases of a conventional gas turbine without recirculation, the profile of the CO 2 content in the exhaust gases of a gas turbine of a gas turbine power plant with fuel cell and exhaust gas recirculation and the associated profile of the recirculation rate via relative load,
Fig. 4 ein Gasturbinenkraftwerk mit einer Gasturbine mit dampfgekühltem Strömungsteiler, Rezirkulation eines Abgasteilstroms und Abzweigung eines zweiten Abgasteilstroms für CO2 Abscheidung in einer Brennstoffzelle. Ausführung der Erfindung4 shows a gas turbine power plant with a gas turbine with a steam-cooled flow divider, recirculation of a partial exhaust gas flow and diversion of a second partial exhaust gas flow for CO2 deposition in a fuel cell. Embodiment of the invention
Fig. 1 zeigt schematisch ein Gasturbinenkraftwerk mit Brennstoffzelle zur CO2 Abscheidung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Es besteht aus einer Gasturbine 6 und mindestens einer Brennstoffzelle 15. Die Gasturbine 6 umfasst auf an sich bekannte Weise mindestens einen Verdichter 1 , mindestens eine Brennkammer 4 und mindestens eine Turbine 7. Typischerweise ist ein Generator 25 am kalten Ende der Gasturbine 6, dass heisst am Verdichter 1 , angekuppelt.Fig. 1 shows schematically a gas turbine power plant with fuel cell for CO 2 deposition for carrying out the inventive method. It consists of a gas turbine 6 and at least one fuel cell 15. The gas turbine 6 comprises in known manner at least one compressor 1, at least one combustion chamber 4 and at least one turbine 7. Typically, a generator 25 at the cold end of the gas turbine 6, that is on the compressor 1, coupled.
Der Brennstoff 5, Gas oder OiI, wird in der Brennkammer 4 mit im Verdichter 1 komprimierten Gasen vermischt und verbrannt. Die Heissgase werden unter Arbeitsabgabe in der nachfolgenden Turbine 7 entspannt. Erfindungsgemäss werden die Abgase der Gasturbine in einem Abgasteiler 29 in zwei Teilmassenströme geteilt. Ein erster Teilmassenstrom, der Rezirkulationsmassenstrom 21 wird nach Abgabe der nutzbaren Wärme in einem ersten Abwärmekessel 9 und Rückkühlung in einem Abgasrezirkulations- Rückkühler 27 in die Ansaugluft 2 rezirkuliert. Der Abgasrezirkulations- Rückkühler 27 verfügt typischerweise über einen Kondensatabscheider (nicht dargestellt). Es sind verschiedene Arten von Abgasrezirkulations- Rückkühler 27 bekannt. Beispielsweise können sie als Luft- Wärmetauscher ausgeführt sein und die Abwärme an die Umgebungsluft abgegeben. Wenn ausreichende Mengen an Kühlwasser verfügbar sind, ist eine Wasserkühlung vorteilhaft. Insbesondere, wenn damit an heissen Tagen die Eintrittstemperatur in die Gasturbine abgesenkt werden kann, um deren Leistung zu verbessern. Ausserdem ist die Baugrösse kleiner.The fuel 5, gas or oil, is mixed in the combustion chamber 4 with compressed in the compressor 1 gases and burned. The hot gases are released under work delivery in the following turbine 7. According to the invention, the exhaust gases of the gas turbine are divided in an exhaust divider 29 into two partial mass flows. A first partial mass flow, the recirculation mass flow 21 is recirculated into the intake air 2 after discharge of the usable heat in a first waste heat boiler 9 and recooling in an exhaust gas recirculation recooler 27. The exhaust gas recirculation recooler 27 typically has a condensate trap (not shown). Various types of exhaust gas recirculation recoolers 27 are known. For example, they can be designed as an air heat exchanger and the waste heat emitted to the ambient air. If sufficient amounts of cooling water are available, water cooling is beneficial. In particular, if so on hot days, the inlet temperature can be lowered into the gas turbine to improve their performance. In addition, the size is smaller.
Der Frischdampf 30 des Abwärmekessels 9 wird zur Leistungsabgabe an eine Dampfturbine 13 geleitet. Die Dampfturbine 13 treibt in dem gezeigten Beispiel über eine Welle einen zweiten Generator 26 an. Der Abwärmekessel 9 mit Dampfkreislauf ist stark vereinfacht dargestellt. Kondensator, Speisewasserpumpen und weitere bekannte Komponenten des Dampfkreislaufes sind zur Vereinfachung nicht dargestellt. Typischerweise wird der Dampfkreislauf als Mehrdruckkreislauf durchgeführt. Ein zweiter Teilmassenstrom, der wird als Katodenmassenstrom 20 in die Katode 17 der Brennstoffzelle 15 geleitet. Die CO2 armen Austrittsgase der Kathode 17 werden in einen zweiten Abwärmekessel 33 geleitet, wo sie ihre nutzbare Wärme zur Dampferzeugung abgeben. Dieser Dampf kann zur Leistungsabgabe an eine Dampfturbine oder nutzbringend für Kraft-Wärmekopplung genutzt werden. Der Abwärmekessel 33 kann mit dem Wasserdampfkreislauf des ersten Abwärmekessels 9 verbunden sein (nicht dargestellt) und damit eine gemeinsame Dampfturbine angetrieben werden. Die Katodenabgase werden als CO2 armes Abgas 22 von dem zweiten Kessel 33 über ein Kamin 32 an die Umgebung abgegeben.The live steam 30 of the waste heat boiler 9 is passed to a steam turbine 13 for power output. In the example shown, the steam turbine 13 drives a second generator 26 via a shaft. The waste heat boiler 9 with steam cycle is shown greatly simplified. Condenser, feedwater pumps and other known components of the steam cycle are not shown for simplicity. Typically, the steam cycle is performed as a multi-pressure circuit. A second partial mass flow, which is conducted as Katodenmassenstrom 20 in the cathode 17 of the fuel cell 15. The low CO 2 exhaust gases of the cathode 17 are passed into a second waste heat boiler 33, where they give their usable heat to generate steam. This steam can be used for power delivery to a steam turbine or beneficial for combined heat and power. The waste heat boiler 33 may be connected to the steam cycle of the first waste heat boiler 9 (not shown) and thus a common steam turbine can be driven. The cathode exhaust gases are discharged as a low CO 2 exhaust gas 22 from the second boiler 33 via a chimney 32 to the environment.
Die Abgase oder ein Teil der Abgase der Gasturbine können von dem Abgasteiler 29 über einen Abgasbypass 24 auch direkt zum Kamin 32 geleitet werden. Dies wird beispielsweise über eine Bypassklappe oder ein Bypassventil 12 geregelt. Damit können beispielsweise zum Anfahren der Gasturbine deren Abgase direkt über den Kamin 32 abgegeben werden, solange diese für den Betrieb der Brennstoffzelle 22 noch zu kalt sind. Ausserdem erlaubt der Bypass 24 den Betrieb der Gasturbine 6, wenn die Brennstoffzelle 15 zum Beispiel für Wartungszwecke abgeschaltet ist. Der Bypass 24 erlaubt weiter in Kombination mit dem Rezirkulationsmassenstrom eine flexible Regelung des Abgasmassenstroms, der durch die Brennstoffzelle 15 geleitet wird.The exhaust gases or a part of the exhaust gases of the gas turbine can also be conducted from the exhaust divider 29 via an exhaust gas bypass 24 directly to the chimney 32. This is regulated, for example, via a bypass flap or a bypass valve 12. Thus, for example, to start the gas turbine whose exhaust gases are discharged directly through the chimney 32, as long as they are still too cold for the operation of the fuel cell 22. In addition, the bypass 24 allows the operation of the gas turbine 6, when the fuel cell 15 is turned off, for example, for maintenance purposes. The bypass 24 further allows in combination with the recirculation mass flow, a flexible control of the exhaust gas mass flow, which is passed through the fuel cell 15.
Die Anode 18 der Brennstoffzelle 15 wird mit Brennstoff für Brennstoff 28 versorgt. Der Brennstoff 28 ist auf die Art der Brennstoffzelle 15 abzustimmen. Beispielsweise kann Wasserstoff genutzt werden. Bei Brennstoffzellen 15 mit interner Reformierung kann Erdgas oder reines Methan genutzt werden. Der Brennstoff 28 reagiert in der Brennstoffzelle 15 unter Abgabe elektrischer Leistung 8.The anode 18 of the fuel cell 15 is supplied with fuel for fuel 28. The fuel 28 is tuned to the type of fuel cell 15. For example, hydrogen can be used. For fuel cells 15 with internal reforming, natural gas or pure methane can be used. The fuel 28 reacts in the fuel cell 15 while delivering electric power 8.
Die CO2 reichen Austrittsgase der Anode 18 werden in einem drittenThe CO 2 rich exit gases of the anode 18 are in a third
Abwärmekessel 34 geleitet, wo sie ihre nutzbare Wärme zur Dampferzeugung abgeben. Dieser Dampf kann zur Leistungsabgabe an eine Dampfturbine oder nutzbringend für Kraft-Wärmekopplung genutzt werden. Der Abwärmekessel 34 kann mit dem Wasserdampfkreislauf des ersten Abwärmekessels 9 und/ oder des zweiten Abwärmekessels 33 verbunden werden (nicht dargestellt) und damit eine gemeinsame Dampfturbine antreiben. Die in den Abgasen der Anodenseite der Brennstoffzelle 15 enthaltene Feuchtigkeit wird nach dem dritten Kessel 34 in einem Wasserabscheider 23 entfernt. Die verbleibenden Anodenabgase 35 haben eine hohe CO2 Konzentration. In dem gezeigten Beispiel werden sie direkt zur weiteren Verwendung, beispielsweise zur Kompression für Transport und Entlagerung geleitet. Sie können aber auch einer weiteren Aufbereitung zugeführt werden.Waste heat boiler 34 passed where they give their usable heat for steam generation. This steam can be used for power delivery to a steam turbine or beneficial for combined heat and power. The waste heat boiler 34 may be connected to the steam cycle of the first waste heat boiler 9 and / or the second waste heat boiler 33 (not shown), thereby driving a common steam turbine. The moisture contained in the exhaust gases of the anode side of the fuel cell 15 is removed after the third boiler 34 in a water separator 23. The remaining anode exhaust gases 35 have a high CO 2 concentration. In the example shown, they are sent directly for further use, for example for compression for transport and disposal. But they can also be fed to a further treatment.
In dem gezeigten Beispiel ist weiter eine Rezirkulation von CO2 reichen Anodenabgasen der Brennstoffzelle 15 in deren Kathodeneintritt vorgesehen. Durch die gezeigte CO2- Rezirkulationsleitung können mit Hilfe eines CO2- Rezirkulationsgebläses 38 ein Teil der CO2 reichen Anodenabgase der Brennstoffzelle 15 zu dem Kathodeneintritt gefördert werden. Der CO2- Rezirkulationsstrom kann über das CO2- Rezirkulationsgebläse 38 geregelt werden und/ oder über die Klappe oder das Ventil für den CO2- Rezirkulationsstrom 39. Wenn keine CO2- Rezirkulation erforderlich ist, kann das Rezirkulationsgebläse 38 abgeschaltet werden und durch Schliessen der Klappe oder des Ventils für den CO2- Rezirkulationsstrom 39 ein ungewollter Bypass der Gasturbinenabgase um die Brennstoffzelle 15 in deren Anodenabgase 35 unterbunden werden.In the example shown, a recirculation of CO 2 -rich anode exhaust gases of the fuel cell 15 is further provided in the cathode inlet. The illustrated CO 2 - 38, a part of the CO 2 rich anode exhaust of the fuel cell 15 are conveyed to the cathode recirculation blower inlet - by means of a recirculation line may CO 2. The CO 2 recirculation stream may be regulated via the CO 2 recirculation blower 38 and / or via the flap or valve for the CO 2 recirculation stream 39. If CO 2 recirculation is not required, the recirculation blower 38 may be shut down and closed the flap or the valve for the CO 2 - recirculation 39, an unwanted bypass of the gas turbine exhaust gases are prevented by the fuel cell 15 in the anode exhaust gases 35.
In einer weitern Ausführung sind der zweite und dritte Abwärmekessel 33/ 34 in einem Kessel zusammengefasst. Weiter können der zweite und/ oder der dritte Abwärmekessel mit dem ersten Abwärmekessel 9 zusammengefasst werden.In a further embodiment, the second and third waste heat boiler 33/34 are combined in a boiler. Furthermore, the second and / or the third waste heat boiler can be combined with the first waste heat boiler 9.
In dem gezeigten Beispiel ist ein Abgasgebläse für denIn the example shown, an exhaust fan for the
Rezirkulationsmassenstrom 11 vorgesehen und ein Abgasgebläse für den Katodenmassenstrom 10 vorgesehen. Je nach Überdruck der Abgase aus der Turbine 7 und den Druckverlusten in den Strömungswegen der beiden Teilströme kann auf die Gebläse verzichtet werden.Rezirkulationsmassenstrom 11 provided and an exhaust fan for the cathode mass flow 10 is provided. Depending on the pressure of the exhaust gases from the turbine 7 and the pressure losses in the flow paths of the two partial streams can be dispensed with the blower.
Um eine gut Regelung der Gaszusammensetzung für Gasturbine 6 und Brennstoffzelle 15 zu realisieren sind in dem gezeigten Beispiel eine Ansaugluft CO2 und/ oder O2 Messinstrument 36 sowie ein Gasturbinenabgas CO2 und/ oder O2 Messinstrument 37 vorgesehen. Fig. 2 zeigt schematisch ein zweites Beispiel für ein Gasturbinenkraftwerk mit Brennstoffzelle zur CO2 Abscheidung. In diesem Beispiel ist zwischen Turbine 7 und Abgasteiler 29 zusätzlich ein Temperatur- Regel- Abwärmekessel 43 angeordnet. Durch Regelung der Abwärme, die den Gasturbinenabgasen 19 entzogen wird, wird die Eintrittstemperatur der Gase der Katode 17 der Brennstoffzelle geregelt.In order to realize a good regulation of the gas composition for gas turbine 6 and fuel cell 15, an intake air CO 2 and / or O 2 measuring instrument 36 as well as a gas turbine exhaust CO 2 and / or O 2 measuring instrument 37 are provided in the example shown. Fig. 2 shows schematically a second example of a gas turbine power plant with fuel cell for CO 2 deposition. In this example, a temperature control waste heat boiler 43 is additionally arranged between the turbine 7 and the exhaust divider 29. By controlling the waste heat, which is withdrawn from the gas turbine exhaust gases 19, the inlet temperature of the gases of the cathode 17 of the fuel cell is controlled.
Weiter ist in der Fig. 2 eine Brennstoffzelle 15 mit stromab angeordnetem katalytischen Brenner 40 auf der Annodenseite und mit stromab angeordnetem katalytischen Brenner 41 auf der Katodenseite dargestellt. Die katalytischen Brenner erlauben den Betrieb einer Brennstoffzelle 15 mit unvollständiger Brennstoffumsetzung. Als Brennstoffumsetzung wird dabei der Anteil des vollständig oxydierten Brennstoffes an dem gesamten Brennstoff 28 für die Brennstoffzelle 15 bezeichnet.Further, in Fig. 2, a fuel cell 15 is shown with downstream catalytic burner 40 on the anode side and with downstream catalytic burner 41 on the cathode side. The catalytic burners allow the operation of a fuel cell 15 with incomplete fuel conversion. As fuel conversion while the proportion of the fully oxidized fuel is referred to the entire fuel 28 for the fuel cell 15.
Eine Brennstoffzelle 15 kann beispielsweise unter den Randbedingungen, wie sie durch die Gasturbinenabgase 19 gegeben sind, bei teilweiser Brenngasumsetzung einen höheren Wirkungsgrad bezogen auf das umgesetzte Brenngas für die Brennstoffzelle 28 erzielen, als wenn eine praktisch vollständige Brenngasumsetzung angestrebt wird. Als vollständige Brenngasumsetzung kann typischerweise eine Umsetzung von mehr als 99% des Brenngases 28 angesehen werden. Weiter kann durch eine Reduktion der Brennstoffumsetzung die Zellspannung und die Leistungsdichte der Brennstoffzelle 15 erhöht werden und damit die Baugrösse der Brennstoffzelle 15 reduziert werden.A fuel cell 15 may, for example, under the boundary conditions, as given by the gas turbine exhaust gases 19, at partial fuel gas conversion achieve a higher efficiency based on the converted fuel gas for the fuel cell 28, as if a virtually complete fuel gas conversion is desired. As a complete fuel gas conversion, a conversion of more than 99% of the fuel gas 28 can typically be considered. Further, by reducing the fuel conversion, the cell voltage and the power density of the fuel cell 15 can be increased and thus the size of the fuel cell 15 can be reduced.
Je nach Verlauf des Brennstoffzellenwirkungsgrades über Umsetzung des Brenngases 28 in der Brennstoffzelle 15 und des nachgeschalteten dritten Abwärmekessels 34 mit zugehörigem Wasserdampfkreislauf, wird die optimale Umsetzung beispielsweise bei 80% bis 90% liegen. Die Umsetzung für einen optimalen Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerkes liegt tiefer, je besser die bei der katalytischen Verbrennung frei werdende Wärme im anschliessenden Wasser- Dampfkreislauf genutzt werden kann. Die übrigen Teile der in Fig. 2 gezeigten Kraftwerksanlage entsprechen den Teilen mit gleichem Bezugszeichen aus der Fig. 1.Depending on the course of the fuel cell efficiency via conversion of the fuel gas 28 in the fuel cell 15 and the downstream third waste heat boiler 34 with associated water vapor cycle, the optimal implementation will for example be 80% to 90%. The implementation for an optimum overall efficiency of the power plant is lower, the better the heat released during the catalytic combustion can be used in the subsequent water-steam cycle. The remaining parts of the power plant shown in Fig. 2 correspond to the parts with the same reference numerals in FIG. 1.
Fig. 3 zeigt über der relativen Last Prθι der Gasturbine 6 beispielhaft den Verlauf des CO2- Gehaltes in den Abgasen einer herkömmlichen Gasturbine ohne Rezirkulation GT-CO2, den Verlauf des CO2- Gehaltes in den Abgasen einer Gasturbine eines Gasturbinenkraftwerks mit Brennstoffzelle und Abgasrezirkulation R- CO2 sowie den zugehörigen Verlauf der Rezirkulationsrate rr. Der CO2- Gehalt der Abgase ist in dem Beispiel sowohl für die herkömmliche Gasturbine als auch für die Gasturbine mit Rezirkulation mit dem CO2- Gehalt bei Volllast der Gasturbine mit Rezirkulation normiert.FIG. 3 shows by way of example the course of the CO 2 content in the exhaust gases of a conventional gas turbine without recirculation GT-CO 2 , the course of the CO 2 content in the exhaust gases of a gas turbine of a gas turbine power plant via the relative load P rθ Fuel cell and exhaust gas recirculation R- CO 2 and the associated course of the recirculation rate r r . The CO 2 content of the exhaust gases is normalized in the example for both the conventional gas turbine and for the gas turbine with recirculation with the CO 2 content at full load of the gas turbine with recirculation.
Die Rezirkulationsrate rr ist mit der Rezirkulationsrate bei Volllast der Gasturbine mit Rezirkulation normiert. Als Rezirkulationsrate ist der Quotient ausThe recirculation rate r r is normalized with the recirculation rate at full load of the gas turbine with recirculation. The recirculation rate is the quotient
Rezirkulationsmassenstrom 21 durch den Gesamtabgasmassenstrom der Gasturbine bezeichnet.Recirculation mass flow 21 designated by the total exhaust gas mass flow of the gas turbine.
In dem gezeigten Beispiel wird der CO2- Gehalt der Abgase mit Rezirkulation R- CO2 im gesamten Lastbereich deutlich über dem CO2- Gehalt ohne Rezirkulation GT-CO2 gehalten. Bei Teillast unter etwa 60% Preι wird in diesem Beispiel die Rezirkulationsrate rr reduziert um eine vollständige, stabile Verbrennung der Gasturbine zu gewährleisten. Verbunden mit einer bei Teillast sinkenden CO2 Produktion der Gasturbine führt dies zu einer spürbaren Reduktion des CO2- Gehaltes in den Abgasen mit Abgasrezirkulation R- CO2. Der CO2- Gehalt in den Abgasen bei Abgasrezirkulation R- CO2 bleibt aber weiter deutlich über dem CO2- Gehalt ohne Abgasrezirkulation GT-CO2.In the example shown, the CO 2 content of the exhaust gases with recirculation RCO 2 over the entire load range is kept clearly above the CO 2 content without recirculation GT CO 2 . At partial load below about 60% P re ι in this example, the recirculation rate r r is reduced to ensure a complete, stable combustion of the gas turbine. Combined with a CO 2 production of the gas turbine which decreases at partial load, this leads to a noticeable reduction of the CO 2 content in the exhaust gases with exhaust gas recirculation RCO 2 . However, the CO 2 content in the exhaust gases with exhaust gas recirculation RCO 2 remains significantly above the CO 2 content without exhaust gas recirculation GT CO 2 .
Da der Rest- Sauerstoffgehalt in den Abgasen bei Abgasrezirkulation umgekehrt proportional zu dem CO2- Gehalt in den Abgasen ist, kann in diesem Beispiel unterhalb von etwa 60% Prθι eine CO2- Rezirkulation von dem Anodenaustritt der Brennstoffzelle 15 in den Katodeneintritt durchgeführt werden und damit der CO2- Gehalt auch bei tiefer Teillast auf den für die Brennstoffzelle 15 optimalen Wert eingestellt werden. Die möglichen Ausführungen der Erfindung sind nicht auf die hier dargestellten Beispiele beschränkt. Anhand der Beispiele eröffnen sich dem Fachmann eine Vielzahl von Möglichkeiten äquivalente Kombinationen von Gasturbinen mit Brennstoffzellen und Verfahren zu deren Betrieb zu realisieren. Insbesondere bei der Anordnung der verschieden Komponenten des Kraftwerkes, der Ausnutzung von Abwärme für Kraft-Wärmekopplung, auch Cogeneration genannt, oder beispielsweise zur Brenngasvorwärmung sind viele Möglichkeiten gegeben. Beispielsweise kann der Temperatur- Regel- Abwärmekessel 43 auch zwischen dem Abgasverteiler 29 und der Brennstoffzelle 15 angeordnet sein. Weiter ist auch für die Nachbehandlung der Abgase und des CO2 reichen Abgasstromes eine grosse Anzahl von Kombinationen möglich.Since the residual oxygen content in the exhaust gases in the case of exhaust gas recirculation is inversely proportional to the CO 2 content in the exhaust gases, CO 2 recirculation from the anode outlet of the fuel cell 15 into the cathode inlet can be carried out below about 60% P rθ 1 in the exhaust gas be set and thus the CO 2 - content even at low part load to the optimum value for the fuel cell 15. The possible embodiments of the invention are not limited to the examples presented here. On the basis of the examples, the person skilled in the art will be able to realize a multitude of equivalent combinations of gas turbines with fuel cells and methods for their operation. In particular, in the arrangement of the various components of the power plant, the use of waste heat for combined heat and power, also called cogeneration, or for example for fuel gas preheating are many possibilities. For example, the temperature control waste heat boiler 43 may also be arranged between the exhaust manifold 29 and the fuel cell 15. Next, a large number of combinations is also possible for the aftertreatment of the exhaust gases and the CO 2 rich exhaust stream.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem die Rezirkulationsrate rr bei Teillast nicht wie es in dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel durch eine instabile Verbrennung eingeschränkt wird, kann der CO2- Gehalt den Gasturbinenabgasen 19 bis zu tiefer Teillast durch erhöhen der Rezirkulationsrate rr auf dem für die Brennstoffzelle 15 optimalen Niveau gehalten werden. So kann auf eine Rezirkulation um die Brennstoffzelle (15) auch bei tiefer Teillast verzichtet werden.In a further embodiment in which the recirculation rate r r at partial load is not restricted by unstable combustion as in the example illustrated in FIG. 3, the CO 2 content can reduce the gas turbine exhaust gases 19 to low partial load by increasing the recirculation rate r r be kept at the optimal level for the fuel cell 15. So can be dispensed with a recirculation to the fuel cell (15) even at low partial load.
In einem Ausführungsbeispiel mit hoher Rezirkulationsrate rr bei tiefer Teillast, steigen aber typischerweise die CO Emissionen der Gasturbine 6. Als hoch sind CO Emissionen (Kohlenmonoxid- Emissionen) typischerweise von 10 ppm und mehr angesehen. Dabei können die CO Emissionen bei Teillast mit hohem Rezirkulationsmassenstrom schnell auf über 100 ppm oder sogar einige hundert ppm ansteigen.However, in one embodiment with high recirculation rate r r at low part load, the CO emissions of gas turbine 6 typically increase. As high, CO emissions (carbon monoxide emissions) are typically considered to be 10 ppm and more. The CO emissions at part load with high recirculation mass flow can quickly increase to over 100 ppm or even a few hundred ppm.
Aufgrund der vorteilhaften erfindungsgemässen Anordnung werden die Gasturbinenabgase 19 mit den hohen CO Emissionen in die Brennstoffzelle 15 geleitet. Dort reagiert das CO mit Wasserdampf weiter zu CO2 und Wasserstoff H2. Der Wasserstoff wird weiter auf der Kathodenseite reagieren. Aufgrund der niedrigen CO Konzentrationen und daraus resultierenden niedrigen Wasserstoffkonzentrationen wird die Wasserstoffumsetzung problemlos toleriert. Weiter ist eine katalytische Umsetzung des CO mit Restsauerstoff der Abgase 19 zu CO2 möglich. Dafür ist beispielsweise ein Katalytischer Brenner 41 auf der Katodenseite geeignet, der als Oberflächenkatalysator mit Nickel ausgeführt ist. Das CO2 tritt entsprechend der Umsetzung in der Brennstoffzelle 15 aus der Anode 18 der Brennstoffzelle 15 aus. Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemässes Gasturbinenkraftwerk zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Es umfasst eine Gasturbinenanlage mit Strömungsteilung nach einer Hochdruckturbine. Diese Gasturbinenanlage umfasst auf an sich bekannte Weise einen Verdichter 1 , eine Brennkammer 4, eine Turbine, sowie einen Generator 25. Typischerweise ist der Generator 25 am kalten Ende der Gasturbine 6', dass heisst am Verdichter 1 angekuppelt. Die Turbine ist in eine Hochdruckturbine 7 und Niederdruckturbine 107 aufgeteilt. Die Turbine treibt über eine Welle den Verdichter 1 und den Generator 25 an.Due to the advantageous arrangement according to the invention, the gas turbine exhaust gases 19 are conducted into the fuel cell 15 with the high CO emissions. There the CO reacts with water vapor to CO 2 and hydrogen H 2 . The hydrogen will continue to react on the cathode side. Due to the low CO concentrations and resulting low hydrogen concentrations, the hydrogen conversion is easily tolerated. Next, a catalytic conversion of CO with residual oxygen of the exhaust gases 19 to CO 2 is possible. For this purpose, for example, a catalytic burner 41 on the cathode side is suitable, which is designed as a surface catalyst with nickel. The CO 2 emerges from the anode 18 of the fuel cell 15 in accordance with the reaction in the fuel cell 15. 4 shows a further exemplary embodiment of a gas turbine power plant according to the invention for carrying out the method according to the invention. It includes a gas turbine plant with flow division after a high-pressure turbine. This gas turbine plant comprises in known manner a compressor 1, a combustion chamber 4, a turbine, and a generator 25. Typically, the generator 25 at the cold end of the gas turbine 6 ', that is coupled to the compressor 1. The turbine is divided into a high-pressure turbine 7 and low-pressure turbine 107. The turbine drives the compressor 1 and the generator 25 via a shaft.
Der Brennstoff 5, Gas oder OiI, wird in der Brennkammer 4 mit im Verdichter 1 komprimierten Gasen vermischt und verbrannt. Die Heissgase werden unter Arbeitsabgabe in der mindestens einen nachfolgenden Turbine entspannt. Erfindungsgemäss wird ein erster Teil der Heissgase nach der Hochdruckturbine 7 abgezweigt und ein zweiter Teil wird in der Niederdruckturbine 107 unter Leistungsabgabe entspannt und nach Abgabe der nutzbaren Wärme und Rückkühlung rezirkuliert.The fuel 5, gas or oil, is mixed in the combustion chamber 4 with compressed in the compressor 1 gases and burned. The hot gases are released under work delivery in the at least one downstream turbine. According to the invention, a first part of the hot gases is branched off after the high-pressure turbine 7 and a second part is expanded in the low-pressure turbine 107 with power output and recirculated after delivery of the usable heat and recooling.
Zur Rückführung des rückgekühlten Rezirkulationsstroms 21 und Vermischung des rückgekühlten Rezirkulationsstroms 21 mit der Ansaugluft 2, umfasst dass Kraftwerk eine Rückführungsleitung, einen HRSG 9 und einen Kühler mit Kondensatabscheider 27. Der Frischdampf 30 des HRSGs 9 wird zur Leistungsabgabe an eine Dampfturbine 13 oder nutzbringend für Kraft- Wärmekopplung, auch Cogeneration genannt, eingesetzt. Die Dampfturbine 13 treibt in dem gezeigten Beispiel über eine Welle einen Generator 26 an. Der HRSG 9 mit Dampf kreislauf ist stark vereinfacht dargestellt. Kondensator, Speisewasserpumpen und bekannte Komponenten des Dampfkreislaufes sind zur Vereinfachung nicht dargestellt. Typischerweise wird der Dampfkreislauf als Mehrdruckkreislauf durchgeführt.For returning the recooled recycle stream 21 and mixing the recooled recirculation stream 21 with the intake air 2, that power plant comprises a recycle line, a HRSG 9, and a condenser 27 condenser. The live steam 30 of the HRSG 9 becomes power output to a steam turbine 13 or beneficial to power - Heat coupling, also called cogeneration used. The steam turbine 13 drives a generator 26 via a shaft in the example shown. The HRSG 9 with steam cycle is shown in a very simplified way. Condenser, feedwater pumps and known components of the steam cycle are not shown for simplicity. Typically, the steam cycle is performed as a multi-pressure circuit.
Der abgezweigte erste Teilstrom wird in einem HRSG 104 gekühlt und dann der Brennstoffzelle 15 als Kathodenmassenstrom 20 zugeführt. Anschliessend werden die CO2 armen Abgase 22 unter Leistungsabgabe in der Abgasturbine 1 16 entspannt, bevor sie als CO2-armes Abgas über einen Kamin 32 an die Umgebung abgegeben werden. Zur Nutzung der Restwärme der CO2 armen Abgase 22 kann stromab der Abgasturbine 1 16 ein weiterer HRSG mit Dampfkreislauf oder Einbindung an einen der vorhanden Dampfkreisläufe vorgesehen werden (nicht dargestellt). Die Brennstoffzelle 15 entspricht beispielsweise den Ausführungen aus Fig. 1 oder Fig. 2. Da die Brennstoffzelle 15 in diesem Beispiel unter Druck betrieben wird, kann sie kleiner gebaut werden als in den Beispielen aus Fig. 1 und 2, was zu einer Kostenreduktion führt. Die Abgasturbine 1 16 treibt beispielsweise einen Generator 129 an. DieThe branched first partial flow is cooled in a HRSG 104 and then supplied to the fuel cell 15 as the cathode mass flow 20. Subsequently, the low-CO2 exhaust gases 22 are relaxed with power output in the exhaust gas turbine 1 16 before they are released as a low-carbon exhaust gas through a chimney 32 to the environment. To use the residual heat of the low-CO2 exhaust gases 22 downstream of the exhaust gas turbine 1 16 another HRSG with steam cycle or integration into one of the existing steam cycles be provided (not shown). The fuel cell 15 corresponds, for example, to the embodiments of FIG. 1 or FIG. 2. Since the fuel cell 15 is operated under pressure in this example, it can be made smaller than in the examples of FIGS. 1 and 2, which leads to a cost reduction. The exhaust gas turbine 16 drives, for example, a generator 129. The
Brennstoffzelle 15 wird ausserdem mit einem Brennstoff 28 versorgt. Das Anodenabgas 35 kann teilweise in den Katodeneintritt rezirkuliert werden. Der weitere Teil des Anodenabgases wird aufbereitet und als CO2- Strom typischerweise zum Transport oder Lagerung komprimiert.Fuel cell 15 is also supplied with a fuel 28. The anode exhaust 35 may be partially recirculated to the cathode inlet. The remaining part of the anode exhaust gas is treated and typically compressed as CO2 stream for transport or storage.
Bei der Kühlung des Entnahmestroms in dem HRSG 104 wird Dampf erzeugt, der in einer Dampfturbine 123 eines Dampfkreislaufes Leistung abgibt. In diesem Beispiel wird die Leistung über eine Welle an einen Generator 1 19 übertragen. Dieser Dampf oder ein weiterer Dampfstrom wird in einem dampfgekühlten Diffusor 128 und/ oder Leitungen durch die der Entnahmestrom aus der Turbine abgezweigt wird, überhitzt. Weitere Komponenten des Dampfkreislaufs, wie Hilfssysteme, Kondensator und Speisewasserpumpen sind zur Vereinfachung hier und in den folgenden Bildern nicht dargestellt.When cooling the bleed stream in the HRSG 104, steam is generated which delivers power in a steam turbine 123 of a steam cycle. In this example, the power is transmitted via a shaft to a generator 1 19. This steam or other vapor stream is superheated in a steam cooled diffuser 128 and / or conduits through which the bleed stream from the turbine is branched off. Other components of the steam cycle, such as auxiliary systems, condenser and feedwater pumps are not shown here and in the following pictures for simplicity.
Typischerweise werden ein Abgasverteiler und Abgasbypass um dieTypically, an exhaust manifold and exhaust bypass around the
Brennstoffzelle 15 vorgesehen, der es erlaubt den Kathodenmassenstrom 20 direkt von dem HRSG 104 der Abgasturbine 1 16 zuzuführen. Fuel cell 15 is provided, which allows the cathode mass flow 20 to be supplied directly from the HRSG 104 of the exhaust gas turbine 1 16.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
I Verdichter 2 UmgebungsluftI compressor 2 ambient air
3 Verdichteransauggas3 compressor suction gas
4 Brennkammer4 combustion chamber
5 Brennstoff für GT5 fuel for GT
6 Gas Turbine GT 7 Turbine, Hochdruckturbine6 Gas Turbine GT 7 Turbine, high-pressure turbine
8 Elektrische Leistung8 Electric power
9 erster Abwärmekessel (HRSG Heat Recovery Steam Generator)9 first waste heat boiler (HRSG Heat Recovery Steam Generator)
10 Abgasgebläse für Katodenmassenstrom (zur Brennstoffzelle)10 exhaust gas blower for cathode mass flow (to the fuel cell)
I 1 Abgasgebläse für Rezirkulationsmassenstrom (Abgasrezirkulation) 12 Bypassklappe oder BypassventilI 1 Exhaust gas blower for recirculation mass flow (exhaust gas recirculation) 12 Bypass damper or by-pass valve
13 Dampfturbine13 steam turbine
14 Kondensator14 capacitor
15 Brennstoffzelle15 fuel cell
16 Speisewasser 17 Kathode16 Feedwater 17 Cathode
18 Anode18 anodes
19 Gasturbinenabgase19 gas turbine exhaust
20 Katodenmassenstrom (Abgasleitung zur Brennstoffzelle)20 cathode mass flow (exhaust pipe to the fuel cell)
21 Rezirkulationsmassenstrom (Leitung zur Abgasrezirkulation) 22 CO2 armes Abgas21 recirculation mass flow (line for exhaust gas recirculation) 22 CO 2 lean exhaust gas
23 Wasserabscheider23 water separators
24 Abgasbypass24 exhaust bypass
25 Erster Generator25 First generator
26 Zweiter Generator 27 Abgasrezirkulations- Rückkühler (für den Rezirkulationsmassenstrom)26 Second generator 27 Exhaust gas recirculation recooler (for recirculation mass flow)
28 Brennstoff für Brennstoffzelle28 fuel for fuel cell
29 Abgasverteiler29 exhaust manifold
30 Frischdampf 31 32 Kamin30 live steam 31 32 fireplace
33 Zweiter Abwärmekessel (für Katodenaustritt)33 Second waste heat boiler (for cathode outlet)
34 Dritter Abwärmekessel (für Anodenaustritt) 35 Anodenabgas34 Third waste heat boiler (for anode outlet) 35 anode exhaust gas
36 Ansaugluft- CO2 und/ oder O2 Messinstrument36 intake air CO 2 and / or O 2 meter
37 Gasturbinenabgas- CO2 und/ oder O2 Messinstrument37 gas turbine exhaust CO 2 and / or O 2 measuring instrument
38 CO2- Rezirkulationsgebläse 39 Klappe oder Ventil für CO2- Rezirkulationsstrom38 CO 2 recirculation fan 39 Flap or valve for CO 2 recirculation flow
40 Katalytischer Brenner, Anodenseite40 catalytic burner, anode side
41 Katalytischer Brenner, Katodenseite41 catalytic burner, cathode side
42 Wasser42 water
43 Abwärmekessel zur Abgas-Temperaturregelung 6' Gasturbine mit Aufteilung des Heissgasstroms43 Waste heat boiler for exhaust gas temperature control 6 'Gas turbine with split of hot gas flow
104 HRSG (Heat Recovery Steam Generator)104 HRSG (Heat Recovery Steam Generator)
107 Niederdruckturbine107 low-pressure turbine
1 16 Abgasturbine1 16 Exhaust gas turbine
1 19 Generator 123 Dampfturbine1 19 Generator 123 Steam turbine
128 Dampfgekühlter Diffusor/ Leitungen128 Steam cooled diffuser / pipes
129 Generator129 generator
130 Frischdampf130 live steam
Prei Relative Last der Gasturbine rr RezirkulationsratePrei Relative load of the gas turbine r r recirculation rate
GT-CO2 CO2 Konzentration der Gasturbinenabgase ohne Rezirkulation R- CO2 CO2 Konzentration der Gasturbinenabgase mit Rezirkulation GT-CO 2 CO 2 Concentration of gas turbine exhaust gases without recirculation R- CO 2 CO 2 Concentration of gas turbine exhaust gases with recirculation

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinenkraftwerkes mit Brennstoffzelle (15) zur CO2 Abscheidung aus dem Abgasstrom der Gasturbine (6, 6'), dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbinenabgase (19) vor Einleitung in die Brennstoffzelle (15) in einen Katodenmassenstrom (20) und einen Rezirkulationsmassenstrom (21 ) aufgeteilt werden, der Katodenmassenstrom (20) in den Katodeneintritt der Brennstoffzelle (15) eingeleitet wird und der Rezirkulationsmassenstrom (21 ) gekühlt wird und in den Ansaugstrom der1. A method for operating a gas turbine power plant with a fuel cell (15) for CO 2 separation from the exhaust gas stream of the gas turbine (6, 6 '), characterized in that the gas turbine exhaust gases (19) before introduction into the fuel cell (15) in a Katodenmassenstrom (20 ) and a Rezirkulationsmassenstrom (21) are divided, the Katodenmassenstrom (20) is introduced into the cathode inlet of the fuel cell (15) and the recirculation mass flow (21) is cooled and in the intake of the
Gasturbine (3) rezirkuliert wird.Gas turbine (3) is recirculated.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die CO2- und/ oder Sauerstoff- Konzentration der Gasturbinenabgase (19) durch Regelung des Rezirkulationsmassenstroms geregelt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the CO 2 - and / or oxygen concentration of the gas turbine exhaust gases (19) is regulated by regulating the recirculation mass flow.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationsmassenstrom als Funktion eines Betriebsparameters der Gasturbine (6, 6') geregelt wird.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the recirculation mass flow is regulated as a function of an operating parameter of the gas turbine (6, 6 ').
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationsmassenstrom als Funktion der Last der Gasturbine (6, 6') und/ oder der Turbineneintrittstemperatur und/ oder der Position der mindestens einen verstellbaren Verdichtervorleitreihe geregelt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the recirculation mass flow as a function of the load of the gas turbine (6, 6 ') and / or the turbine inlet temperature and / or the position of the at least one adjustable Verdichtervorleitreihe is regulated.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 , 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die CO2- und/ oder Sauerstoff- Konzentration der Gasturbinenabgase (19) und/ oder der Verdichteransaugluft der Gasturbine (3) gemessen werden und dieser Messwert als Eingabe für die Regelung des Rezirkulationsmassenstroms genutzt wird.5. The method according to any one of claims 1, 3 or 4, characterized in that the CO 2 - and / or oxygen concentration of the gas turbine exhaust gases (19) and / or the compressor intake air of the gas turbine (3) are measured and this measured value as input for the regulation of the recirculation mass flow is used.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstrittstemperatur des Katodenmassenstroms (20) in die Katodenseite der Brennstoffzelle (15) durch Regelung des Rezirkulationsmassenstroms (21 ) und/ oder einer Rückkühltemperatur des Rezirkulationsmassenstroms (21 ) nachgeregelt wird. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the Einstrittstemperatur of the Katodenmassenstroms (20) in the cathode side of the fuel cell (15) by regulating the Rezirkulationsmassenstroms (21) and / or a recooling temperature of the recirculation mass flow (21) is readjusted.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gasturbine (6, 6') und Brennstoffzelle (15) mindestens ein Temperatur- Regel- Abwärmekessel (43) mit regelbarer Abwärmeleistung angeordnet ist und die Eintrittstemperatur des Katodenmassenstroms (20) in die Katodenseite der Brennstoffzelle (15) über die Regelung der7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that between gas turbine (6, 6 ') and fuel cell (15) at least one temperature control waste heat boiler (43) is arranged with controllable waste heat output and the inlet temperature of the cathode mass flow (20 ) in the cathode side of the fuel cell (15) via the control of
Abwärmeleistung dieses Temperatur- Regel- Abwärmekessels (43) geregelt wird.Abwärmeleistung this temperature control waste heat boiler (43) is controlled.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der CO2 Konzentration des Katodenmassenstroms (20) in den8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that for controlling the CO 2 concentration of the Katodenmassenstroms (20) in the
Katodeneintritt der Brennstoffzelle (15) ein Teil eines Austrittsstromes aus der Anode (18) in den Katodenmassenstrom (20) rezirkuliert wird und oder in das Verdichteransauggas rezirkuliert wird.Cathode entry of the fuel cell (15) a portion of an exit stream from the anode (18) is recirculated into the cathode mass flow (20) and or is recirculated into the compressor suction.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung des Brennstoffs der Brennstoffzelle (28) in der Brennstoffzelle (15) unvollständig ist und ein Rest dieses Brennstoffs der Brennstoffzelle (28) in mindestens einem katalytischen Brenner (40, 41 ), der in oder stromab der Brennstoffzelle (15) angeordnet ist, verbrannt wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the conversion of the fuel of the fuel cell (28) in the fuel cell (15) is incomplete and a remainder of this fuel of the fuel cell (28) in at least one catalytic burner (40, 41 ) disposed in or downstream of the fuel cell (15) is burned.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nutzbare Abwärme aus dem Katodenmassenstrom (20) und/ oder dem Rezirkulationsmassenstrom (21 ) und/ oder mindestens einem der Abgasströme der Brennstoffzelle (15) in mindestens einem Abwärmekessel (9, 33, 34, 43) zur Dampferzeugung genutzt wird.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that usable waste heat from the cathode mass flow (20) and / or the recirculation mass flow (21) and / or at least one of the exhaust gas streams of the fuel cell (15) in at least one waste heat boiler (9, 33, 34, 43) is used to generate steam.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Katodenmassenstrom (20) enthaltenes CO in der Brennstoffzelle (15) reagiert und als CO2 aus der Anode (18) der Brennstoffzelle austritt.1 1. Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that in the cathode mass flow (20) CO contained in the fuel cell (15) reacts and exits as CO2 from the anode (18) of the fuel cell.
12. Ein Gasturbinenkraftwerk mit Brennstoffzelle zur CO2 Abscheidung umfassend mindestens eine Gasturbine (6, 6'), mindestens einer Brennstoffzelle (15), mindestens eine Rezirkulationsleitung die vor dem Kathodeneintritt der Brennstoffzelle (15) abzweigt und zu der Verdichteransaugseite der Gasturbine (6, 6') führt und mindestens eine Leitung zu dem Katodeneintritt der12. A gas turbine power plant with a fuel cell for CO 2 separation comprising at least one gas turbine (6, 6 '), at least one fuel cell (15), at least one recirculation line which branches off before the cathode inlet of the fuel cell (15) and to the compressor suction side of the gas turbine (6, 6 ') leads and at least one line to the cathode inlet of
Brennstoffzelle (15) führt. Fuel cell (15) leads.
13. Ein Kraftwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gasturbine (6, 6') und Brennstoffzelle (15) mindestens ein Temperatur- Kontroll- Abhitzekessel (43) zur Regelung der Einstrittstemperatur des Katodenmassenstroms (20) in die Katodenseite der Brennstoffzelle (15) angeordnet ist.13. A power plant according to claim 12, characterized in that between gas turbine (6, 6 ') and fuel cell (15) at least one temperature control waste heat boiler (43) for controlling the inlet temperature of the cathode mass flow (20) in the cathode side of the fuel cell ( 15) is arranged.
14. Ein Kraftwerk nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Rezirkulationsleitung von dem Anodenaustritt zu dem Katodeneintritt der Brennstoffzelle (15) und/ oder zu der Verdichteransaugseite führt.14. A power plant according to claim 12 or 13, characterized in that at least one recirculation line leads from the anode outlet to the cathode inlet of the fuel cell (15) and / or to the compressor suction side.
15. Ein Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein katalytischer Brenner (40, 41 ) zur Verbrennung von Brennstoffresten in den Austrittsgasen der Brennstoffzelle (15) in oder stromab der Brennstoffzelle (15) angeordnet ist. 15. A power plant according to any one of claims 11 to 14, characterized in that at least one catalytic burner (40, 41) for combustion of fuel residues in the outlet gases of the fuel cell (15) in or downstream of the fuel cell (15) is arranged.
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