CH701210A1 - Method for operating a gas turbine power plant with fuel cell. - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Gasturbinenkraftwerke mit Brennstoffzelle (15) die durch eine neue Prozessführung, die eine CO 2 -Abscheidung optimiert in den Kraftwerksprozess einbindet, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Kraftwerkes. Der Kern der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinen-Kraftwerks mit Abgasrezirkulation in den Ansaugstrom der Gasturbine (6) und einer Brennstoffzelle (15), wobei CO 2 aus den nicht rezirkulierten Abgasen in der Brennstoffzelle abgeschieden wird. Der Rezirkulationsmassenstrorm (21) wird zur Optimierung der Gesamtleistung und des Gesamtwirkungsgrads des Kraftwerkes so geregelt, dass unter der Randbedingung eines stabilen, effizienten Gasturbinenbetriebs die Abgaszusammensetzung der Gasturbine einen optimalen Betrieb der nachgeschalteten mindestens einen Brennstoffzelle (15) ermöglicht. Weiter ist ein Kraftwerk zur Durchführung des Verfahrens Gegenstand der Erfindung.The invention relates to gas turbine power plants with fuel cell (15), which incorporates a new process management, which optimizes a CO 2 capture optimized in the power plant process, and a method for operating such a power plant. 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 (6) and a fuel cell (15), wherein CO 2 is separated from the non-recirculated exhaust gases in the fuel cell. The recirculation mass flow (21) is controlled to optimize the overall performance and the overall efficiency of the power plant so that under the boundary condition of a stable, efficient gas turbine operation, the exhaust gas composition of the gas turbine enables optimal operation of the downstream at least one fuel cell (15). Furthermore, a power plant for carrying out the method is the subject of the invention.
Description
Technisches GebietTechnical area
[0001] 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 Schmelzkarbonatbrennstoffzelle.
Stand der TechnikState of the art
[0002] 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 CO2 (carbon capture and storage) oder CO2 -Sequestrierung, das heisst die Abtrennung des CO2 aus dem Wärmekraftprozess eines Kraftwerkes und von der Atmosphäre getrennte Lagerung des abgetrennten CO2, angesehen. Die CO2Abtrennung 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 CO2Abscheidung ist Bestandteil des CCS Prozesses. Due to the generally recognized risk of climate change, there is a worldwide interest in the emission of greenhouse gases, in particular to reduce CO2 (carbon dioxide). As a realistic step to reduce the CO2 emissions into the atmosphere within a relatively short time becomes the so-called CO2 (carbon capture and storage) or CO2 sequestration, ie the separation of CO2 from the thermal power of a power plant and the atmosphere separate storage of the separated CO2 , viewed. The CO2 separation occurs 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 of CO2 capture is part of the CCS process.
[0003] 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. Post-combustion CO2 capture, also called 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.
[0004] Die herkömmlichen CO2 Technologien benötigen eine relative hohe Leistung, Um den negativen Einfluss von CO2auf Leistung und Wirkungsgrad zu minimieren wurde in der US7 396 603 die Kombination von herkömmlichen Kraftwerken mit Schmelzkarbonatbrennstoffzellen, vorgeschlagen. [0004] Conventional CO2 technologies require relatively high power. To minimize the negative impact of CO2 on performance and efficiency, US Pat. No. 3,796,603 proposed the combination of conventional power plants with molten carbonate fuel cells.
[0005] Die Anwendung von Schmelzkarbonatbrennstoffzellen zur Reduktion der CO2 Emissionen von Gasturbinenkraftwerken wurde weiter von J. Milewski et al. in «THE REDUCTION OF CO2EMISSIONS 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 CO2 emissions from gas turbine power plants has been further described by 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).
[0006] 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 von 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 die Kompressoreintrittstemperatur und die Last der Gasturbine führen zu Änderungen der Abgastemperatur und Abgaszusammensetzung, so dass ein optimaler Betrieb der Brennstoffzelle nicht gewährleistet werden kann. However, the use of molten carbonate fuel cells to reduce the CO2 emissions of gas turbine power plants is not without problems, since the CO2 content in the gas turbine exhaust gases, as well as by J. Milewski et al. described is low for effective operation of molten carbonate fuel cells. 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. In particular, 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.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
[0007] 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 optimized overall efficiency operation of a gas turbine fuel cell power plant with CO2 deposition, and to propose a power plant for performing this method.
[0008] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. According to the invention, this object is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
[0009] 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) CO2abgeschieden 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. As gas turbine fuel cell power plant while a gas turbine based power plant is referred to, from the exhaust gases or at least from a partial mass flow of the exhaust gases with the aid of at least one molten carbonate fuel cell (hereinafter referred to as fuel cell) CO2abschiedieden. 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.
[0010] 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 CO2 capture 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.
[0011] In der Brennstoffzelle reagiert der reformierte Wasserstoff der Annodenseite mit den Abgasen der Kathodenseite. Dabei wird elektrische Energie erzeugt und der grösste Teil des CO2auf die Anodenseite transportiert und über den Austritt der Katodenseite abgeleitet. Weiter entsteht als Reaktionsprodukt Wasser, das 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. Electrical energy is generated and most of the CO2 transported to the anode side and derived via the exit of the cathode side. Next arises as 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 CO2 rich exhaust stream of the anode can be forwarded directly after condensation of the water or be fed to a further treatment. Exhaust gas with reduced CO2 and oxygen content escapes from the cathode side, which can be released to the environment via a chimney.
[0012] 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 zulässt. The essence of the invention is a method for operating a gas turbine power plant with exhaust gas recirculation in the intake stream of the gas turbine and at least one fuel cell, wherein CO2 is separated from the non-recirculated exhaust gases in the at least one fuel cell, and a power plant for performing the method , 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 controlled such that, under the boundary condition of a stable gas turbine operation, the exhaust gas composition of the gas turbine enables optimum operation of the downstream at least one fuel cell. For optimum operation of the fuel cell, the CO2 content of the exhaust gases is increased by recirculation, to the extent that this permits the associated reduction in the oxygen content.
[0013] 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. As a stable gas turbine operation is understood to mean an operation in which the combustion is complete and without strong Brennkammerpulsationen, as they can occur at too low combustion temperature and low oxygen content occurs.
[0014] 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 can be adjusted to the requirements of the downstream fuel cell by regulating the Rezirkulationsmassenstroms the exhaust gas composition for the entire operating range, especially for partial load.
[0015] 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. The exhaust gas composition of a gas turbine, in particular the CO2 and oxygen concentration of the exhaust gases or the CO2 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.
[0016] 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. 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.
[0017] 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 the content of CO2 and oxygen 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.
[0018] 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.
[0019] 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 controlled 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 controlled solely 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.
[0020] 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 einerweiteren 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 einerweiteren 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 the efficiency is to increase the CO2 content of the exhaust gases by exhaust gas recirculation for effective operation of the fuel cell. In a further embodiment, CO2 is recirculated from the anode outlet of the fuel cell to increase the CO2 content in the cathode mass flow before or when entering the fuel cell. The diversion to recirculation is possible immediately after the fuel cell, to or 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 may be provided for the recirculated CO2 rich mass flow to maintain the inlet temperature to the fuel cell in the optimum operating range. In the case of recirculation of CO2 after the separation of water or after further treatment, it may be advantageous to preheat the recirculated CO2 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 CO2 recirculation provides an additional parameter for controlling the CO2 content and temperature of the cathode mass flow at the fuel cell inlet.
[0021] 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 a recirculation of CO2, a reduction of the exhaust gas recirculation may be required to ensure sufficient for the fuel cell oxygen content.
[0022] Durch Regelung des Rezirkulationsmassenstroms, der Temperatur der rezirkulierten Abgase und des rezirkulierten CO2- Stroms sowie der Temperatur des rezirkulierten CO2- Stroms erhält man neue Regeigrössen, 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 Rezirkulationsmassenstroms, the temperature of the recirculated exhaust gases and the recirculated CO2 stream and the temperature of the recirculated CO2 stream to get new Regeigrössen with which the TAT or the fuel cell inlet temperature even at partial load in the for the operation the fuel cell required temperature range can be maintained.
[0023] 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 constraint in the regulation of the recirculation mass flow of the gas turbine must be ensured that the oxygen content in the gas turbine intake air sufficient for clean complete combustion, and that the oxygen content in the gas turbine exhaust gases sufficient for the operation of the fuel cell.
[0024] Je nach weiterer Verwendung der CO2 - reichen Anodenabgase kann eine Wasserabscheidung mit nachfolgender CO2 Abscheidung erforderlich sein. Aufgrund der hohen CO2Konzentration in den Anodenabgasen ist eine CO2Abscheidung 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 CO2-rich anode exhaust gases, a water separation with subsequent CO2 deposition may be required. Due to the high CO2 concentration in the anode exhaust gases, CO2 capture is possible, for example, through CO2 absorption with relatively little energy expenditure. 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 CO2 capture. For example, the unburned fuel may be beneficially recirculated to the anode inlet along with other gases remaining in the exhaust gas.
[0025] 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 CO2Abscheidung vorteilhaft sein kann. Operation of the fuel cell with incomplete fuel conversion typically results in a higher efficiency of the fuel reacted in the fuel cell, therefore, operation with incomplete fuel conversion and CO2 separation may be beneficial.
[0026] 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. 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.
[0027] 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. Depending on the type of fuel cell 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.
[0028] 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 Grösse der Brennstoffzelle und damit die Anlagenkosten reduziert werden können. An advantage of the method with exhaust gas recirculation is the increase in the CO2 content in the exhaust gases, which leads to an increase in the 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 equipment costs can be reduced.
[0029] 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 CO2 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.
[0030] 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, the usable waste heat from at least part of the recirculation streams and the exhaust gas streams is used in at least one waste heat boiler for steam generation in other embodiments. The steam can be usefully used for combined heat and power or be relaxed under work to drive a generator in a steam turbine.
[0031] 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 EP0 620 362 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 650°C, beispielsweise bei etwa 600°C. In a further embodiment, the method is proposed to a power plant with a gas turbine with sequential combustion. Conventional gas turbines with sequential combustion are known, for example, from EP0 620 362. 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 exit 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 model specific and is typically in the range of about 550 ° C to 650 ° C, for example about 600 ° C.
[0032] 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 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.
[0033] 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.
[0034] 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 use 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.
[0035] 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.
[0036] Um eine weitere Möglichkeit zur Regelung des CO2 - Gehalts der 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. In order to provide a further possibility for regulating the CO2 content of the cathode inlet gases of the fuel cell, a CO2 recirculation line can be arranged from the exhaust gases of the anode side of the fuel cell in the exhaust gas line of the gas turbine upstream of the cathode inlet of the fuel cell. 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 CO2 recirculation fan can be arranged in the CO2 recirculation line or in its connections.
[0037] 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. With this additional control element, in combination with the exhaust gas recirculation of the gas turbine, the CO2 content in a wide operating range of the power plant can be regulated for optimized operation of the fuel cell. 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 CO2 content up to a lower partial load, for example up to 30% partial load or less.
[0038] 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 dependent claims and will become apparent 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.
[0039] 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. An embodiment is characterized for example by an exhaust gas bypass to 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 part load, i. Load points of training up to, for example, about 30% partial load, for the operation of the fuel cell are too cold. In addition, it allows the operation of the gas turbine when the fuel cell, for example, for maintenance out of service.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
[0040] 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.
[0041] Es zeigen: In the drawings:
[0042] 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 CO2 separation, an exhaust divider for dividing the gas turbine exhaust gases into a recirculation mass flow and a cathode inlet flow, [0042] FIG.
[0043] 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 a fuel cell for CO2 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 .
[0044] 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 the example of the course of the CO2 content in the exhaust gases of a conventional gas turbine without recirculation, the course of the CO2 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 over relative load.
Ausführung der ErfindungEmbodiment of the invention
[0045] Fig. 1 zeigt schematisch ein Gasturbinenkraftwerk mit Brennstoffzelle zur CO2Abscheidung 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, das heisst am Verdichter 1, angekuppelt. Fig. 1 shows schematically a gas turbine power plant with fuel cell for CO2 separation 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.
[0046] Der Brennstoff 5, Gas oder Oil, 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.
[0047] 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. 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.
[0048] Ein zweiter Teilmassenstrom, der wird als Katodenmassenstrom 20 in die Katode 17 der Brennstoffzelle 15 geleitet. Die CO2armen 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 CO2armes Abgas 22 von dem zweiten Kessel 33 über ein Kamin 32 an die Umgebung abgegeben. A second partial mass flow, which is passed as Katodenmassenstrom 20 in the cathode 17 of the fuel cell 15. The CO2 arms exit gases of the cathode 17 are passed into a second waste heat boiler 33, 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 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 emitted as low-CO2 exhaust gas 22 from the second boiler 33 via a chimney 32 to the environment.
[0049] 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 be passed from the exhaust divider 29 via an exhaust gas bypass 24 also 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.
[0050] 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.
[0051] Die CO2 reichen Austrittsgase der Anode 18 werden in einem dritten 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. The CO2 rich exit gases of the anode 18 are conducted in a third waste heat boiler 34, 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.
[0052] 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. 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 CO2 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.
[0053] In dem gezeigten Beispiel ist weiter eine Rezirkulation von CO2reichen Anodenabgasen der Brennstoffzelle 15 in deren Kathodeneintritt vorgesehen. Durch die gezeigte CO2- Rezirkulationsleitung können mit Hilfe eines CO2-Rezirkulationsgebläses 38 ein Teil der CO2reichen 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 Ventil 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. By means of a CO2 recirculation blower 38, a portion of the CO2-rich anode exhaust gases of the fuel cell 15 can be conveyed to the cathode inlet by means of the CO2 recirculation line 38 shown. The CO2 recirculation flow can be regulated via the CO2 recirculation fan 38 and / or via the flap or valve for the CO2 recirculation flow 39. If no CO2 recirculation is required, the recirculation fan 38 can be switched off and closed by closing the flap or the Valve for the CO2 recirculation flow 39 an unwanted bypass of the gas turbine exhaust gases are prevented by the fuel cell 15 in the anode exhaust gases 35.
[0054] In einer weiteren 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.
[0055] In dem gezeigten Beispiel ist ein Abgasgebläse für den 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. In the example shown, an exhaust gas blower for the recirculation mass flow 11 is provided and an exhaust gas blower 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.
[0056] Um eine gut Regelung der Gaszusammensetzung für Gasturbine 6 und Brennstoffzelle 15 zu realisieren sind in dem gezeigten Beispiel eine Ansaugluft CO2 und/ oder 02 Messinstrument 36 sowie ein Gasturbinenabgas CO2 und/ oder 02 Messinstrument 37 vorgesehen. In order to realize a good control of the gas composition for gas turbine 6 and fuel cell 15, in the example shown, an intake air CO2 and / or 02 measuring instrument 36 and a gas turbine exhaust CO2 and / or 02 measuring instrument 37 are provided.
[0057] 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. Fig. 2 shows schematically a second example of a gas turbine power plant with fuel cell for CO2 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.
[0058] Weiter ist in der Fig. 2eine 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.
[0059] 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, 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 combustion gas conversion is sought. 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.
[0060] 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. 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 be, for example, 80% to 90%. The implementation for an optimal 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.
[0061] Die übrigen Teile der in Fig. 2gezeigten Kraftwerksanlage entsprechen den Teilen mit gleichem Bezugszeichen aus der Fig. 1. The remaining parts of the power plant shown in Fig. 2 correspond to the parts with the same reference numeral from Fig. 1st
[0062] Fig. 3 zeigt über der relativen Last Prei 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 CO2 content in the exhaust gases of a conventional gas turbine without recirculation GT-CO2, the course of the CO2 content in the exhaust gases of a gas turbine of a gas turbine power plant with fuel cell and over the relative load Prei of the gas turbine 6 Exhaust gas recirculation R-CO2 and the associated course of the recirculation rate rr. The CO2 content of the exhaust gases is standardized in the example for both the conventional gas turbine and for the gas turbine with recirculation with the CO2 content at full load of the gas turbine with recirculation.
[0063] Die Rezirkulationsrate rr ist mit der Rezirkulationsrate bei Volllast der Gasturbine mit Rezirkulation normiert. Als Rezirkulationsrate ist der Quotient aus Rezirkulationsmassenstrom 21 durch den Gesamtabgasmassenstrom der Gasturbine bezeichnet. The recirculation rate rr is normalized with the recirculation rate at full load of the gas turbine with recirculation. As the recirculation rate, the quotient of Rezirkulationsmassenstrom 21 is designated by the total exhaust gas mass flow of the gas turbine.
[0064] 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% Prei 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- CO2bleibt aber weiter deutlich über dem CO2-Gehalt ohne Abgasrezirkulation GT- CO2. In the example shown, the CO2 content of the exhaust gases with recirculation R-CO.sub.2 in the entire load range is kept clearly above the CO2 content without recirculation GT.sub.2 CO.sub.2. At partial load below about 60% pri, the recirculation rate rr is reduced in this example to ensure complete, stable combustion of the gas turbine. Combined with a CO2 production of the gas turbine which decreases at partial load, this leads to a noticeable reduction in the CO2 content in the exhaust gases with exhaust gas recirculation R-CO2. The CO2 content in the exhaust gases during exhaust gas recirculation R-CO2, however, remains significantly above the CO2 content without Exhaust gas recirculation GT-CO2.
[0065] 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% Prei 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. Since the residual oxygen content in the exhaust gases in the case of exhaust gas recirculation is inversely proportional to the CO2 content in the exhaust gases, in this example below about 60% Prei a CO2 recirculation can be carried out from the anode outlet of the fuel cell 15 into the cathode inlet and thus the CO2 content can be set to the optimal value for the fuel cell 15 even at low partial load.
[0066] 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. 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. Furthermore, a large number of combinations is also possible for the aftertreatment of the exhaust gases and the CO2-rich exhaust gas stream.
[0067] 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 rr at partial load is not limited by an unstable combustion as in the example shown in FIG. 3, the CO2 content of the gas turbine exhaust gases 19 can be increased up to a low partial load by increasing the recirculation rate rr 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.
[0068] 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 rr 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.
[0069] 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 CO2möglich. 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. Due to the advantageous inventive arrangement, the gas turbine exhaust gases 19 are passed with the high CO emissions in the fuel cell 15. There the CO reacts with water vapor to CO2 and hydrogen H2. 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. Furthermore, a catalytic conversion of the CO with residual oxygen of the exhaust gases 19 to CO2 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 CO2 exits according to the implementation in the fuel cell 15 from the anode 18 of the fuel cell 15.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
[0070] <tb>1<sep>Verdichter <tb>2<sep>Umgebungsluft <tb>3<sep>Verdichteransauggas <tb>4<sep>Brennkammer <tb>5<sep>Brennstoff für GT <tb>6<sep>Gas Turbine GT <tb>7<sep>Turbine <tb>8<sep>Elektrische Leistung <tb>9<sep>erster Abwärmekessel (HRSGheat recovery steam generator) <tb>10<sep>Abgasgebläse für Katodenmassenstrom (zur Brennstoffzelle) <tb>11<sep>Abgasgebläse für Rezirkulationsmassenstrom (Abgasrezirkulation) <tb>12<sep>Bypassklappe oder Bypassventil <tb>13<sep>Dampfturbine <tb>14<sep>Kondensator <tb>15<sep>Brennstoffzelle <tb>16<sep>Speisewasser <tb>17<sep>Kathode <tb>18<sep>Anode <tb>19<sep>Gasturbinenabgase <tb>20<sep>Katodenmassenstrom (Abgasleitung zur Brennstoffzelle) <tb>21<sep>Rezirkulationsmassenstrom (Leitung zur Abgasrezirkulation) <tb>22<sep>CO2 armes Abgas <tb>23<sep>Wasserabscheider <tb>24<sep>Abgasbypass <tb>25<sep>Erster Generator <tb>26<sep>Zweiter Generator <tb>27<sep>Abgasrezirkulations- Rückkühler (für den Rezirkulationsmassenstrom) <tb>28<sep>Brennstoff für Brennstoffzelle <tb>29<sep>Abgasverteiler <tb>30<sep>Frischdampf <tb>31<sep> <tb>32<sep>Kamin <tb>33<sep>Zweiter Abwärmekessel (für Katodenaustritt) <tb>34<sep>Dritter Abwärmekessel (für Anodenaustritt) <tb>35<sep>Anodenabgas <tb>36<sep>Ansaugluft- CO2 und/ oder 02 Messinstrument <tb>37<sep>Gasturbinenabgas- CO2 und/ oder 02 Messinstrument <tb>38<sep>CO2 - Rezirkulationsgebläse <tb>39<sep>Klappe oder Ventil für CO2 - Rezirkulationsstrom <tb>40<sep>Katalytischer Brenner, Anodenseite <tb>41<sep>Katalytischer Brenner, Katodenseite <tb>42<sep>Wasser <tb>43<sep>Abwärmekessel zur Abgas-Temperaturregelung <tb>Prel<sep>Relative Last der Gasturbine <tb>rr<sep>Rezirkulationsrate <tb>GT-CO2<sep>CO2 Konzentration der Gasturbinenabgase ohne Rezirkulation <tb>R- CO2<sep>2 CO2 Konzentration der Gasturbinenabgase mit Rezirkulation[0070] <Tb> 1 <sep> compressor <Tb> 2 <sep> ambient air <Tb> 3 <sep> Verdichteransauggas <Tb> 4 <sep> combustion chamber <tb> 5 <sep> fuel for GT <tb> 6 <sep> Gas Turbine GT <Tb> 7 <sep> Turbine <tb> 8 <sep> Electrical power <tb> 9 <sep> first waste heat boiler (HRSGheat recovery steam generator) <tb> 10 <sep> exhaust fan for cathode mass flow (to the fuel cell) <tb> 11 <sep> Exhaust blower for recirculation mass flow (exhaust gas recirculation) <tb> 12 <sep> Bypass damper or by-pass valve <Tb> 13 <sep> steam turbine <Tb> 14 <sep> capacitor <Tb> 15 <sep> Fuel Cell <Tb> 16 <sep> feed water <Tb> 17 <sep> cathode <Tb> 18 <sep> anode <Tb> 19 <sep> gas turbine exhaust gases <tb> 20 <sep> cathode mass flow (exhaust pipe to the fuel cell) <tb> 21 <sep> recirculation mass flow (line for exhaust gas recirculation) <tb> 22 <sep> CO2 low exhaust gas <Tb> 23 <sep> Water <Tb> 24 <sep> exhaust bypass <tb> 25 <sep> First generator <tb> 26 <sep> Second generator <tb> 27 <sep> Exhaust recirculation recooler (for recirculation mass flow) <tb> 28 <sep> fuel for fuel cell <Tb> 29 <sep> exhaust manifold <Tb> 30 <sep> steam <Tb> 31 <sep> <Tb> 32 <sep> Fireplace <tb> 33 <sep> Second waste heat boiler (for cathode outlet) <tb> 34 <sep> Third waste heat boiler (for anode outlet) <Tb> 35 <sep> anode exhaust gas <tb> 36 <sep> intake air CO2 and / or 02 meter <tb> 37 <sep> Gas turbine exhaust CO2 and / or 02 meter <tb> 38 <sep> CO2 recirculation fan <tb> 39 <sep> Flap or valve for CO2 recirculation flow <tb> 40 <sep> Catalytic burner, anode side <tb> 41 <sep> Catalytic burner, cathode side <Tb> 42 <sep> Water <tb> 43 <sep> Waste heat boiler for exhaust gas temperature control <tb> Prel <sep> Relative load of the gas turbine <Tb> rr <sep> recirculation <tb> GT-CO2 <sep> CO2 Concentration of gas turbine exhaust gases without recirculation <tb> R-CO2 <sep> 2 CO2 Concentration of gas turbine exhaust gases with recirculation
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