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DE10155936A1 - Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage - Google Patents

Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage

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DE10155936A1
DE10155936A1 DE10155936A DE10155936A DE10155936A1 DE 10155936 A1 DE10155936 A1 DE 10155936A1 DE 10155936 A DE10155936 A DE 10155936A DE 10155936 A DE10155936 A DE 10155936A DE 10155936 A1 DE10155936 A1 DE 10155936A1
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oxygen
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Hans Ulrich Frutschi
Timothy Griffin
Hans Wettstein
Dieter Winkler
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GE Vernova GmbH
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Alstom Schweiz AG
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Publication date
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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage mit einem geschlossenen oder quasi-geschlossenen Kreislauf, besteht die Kraftwerksanlage im wesentlichen aus mindestens einer Verdichtereinheit (1) oder einer Pumpe, mindestens einer Brennkammer (2), mindestens einer Turbine (3) und mindestens einer Wärmesenke (4). In der Brennkammer (2) reagiert ein Brennstoffmassenstrom (14) mit mindestens einem Sauerstoffstrom (12), die dadurch entstehenden überschüssigen Verbrennungsprodukte (CO¶2¶, H¶2¶O) werden dem Kreislauf an geeigneter Stelle (5, 6) entnommen und der der Brennkammer zugeführte Sauerstoffstrom (12) wird mittels einer Luftzerlegungsanlage (11) gewonnen. DOLLAR A Der Luftzerlegungsanlage (11) werden Mittel (9) zur Grobzerlegung der zugeführten Luft (8) vorgeschaltet, um die der Luftzerlegungsanlage (11) zugeführte Luft (10) mit Sauerstoff anzureichern.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
    • Stand der Technik
  • Allgemein sind Kraftwerksanlagen bekannt, welche kohlenstoffhaltige Brennstoffe unter Zuführung von komprimierter Atmosphärenluft verbrennen. Die bei der Verbrennung erzeugten Verbrennungsgase, wie Kohlendioxid (CO2) und Stickoxide, stellen jedoch ein vielschichtiges Problem dar und werden nicht zuletzt für die Klimaerwärmung verantwortlich gemacht.
  • Aus der EP 0 953 748 A1 ist eine Kraftwerksanlage mit einem geschlossenen oder quasi-geschlossenen Kreislauf bekannt. Der Kreislauf wird mit einem CO2- haltigen Medium mit einer inneren Verbrennung eines Brennstoffs und dem dazu nötigen Sauerstoff betrieben. Überschüssiges CO2 wird aus dem Kreislauf entnommen und in eine Auskondensierungsanlage eingeleitet, das auskondensierte CO2 kann dann umweltschonend entsorgt werden. Durch die Anwendung eines geschlossenen oder quasi-geschlossenen Kreislaufs mit Zugabe von reinem Sauerstoff wird zudem verhindert, dass Luftstickstoff in die Flamme kommt, wodurch keine oder nur geringfügig Stickoxide entstehen.
  • Aufgrund der Konzeption des Kreislaufs reichern sich jedoch mit dem Brennstoff oder dem Sauerstoff eingeschleppte Inertgase im Prozess bis weit über die Ausgangskonzentration an und können durch Verschiebung der thermodynamischen Eigenschaften des Arbeitsmediums zu einer deutlichen Beeinträchtigung der Effizienz des Prozesses führen. Die Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffes lässt sich durch den beschriebenen Prozess nicht beeinflussen, doch soll dem Prozess möglichst reiner Sauerstoff zugeführt werden, um den Anteil an Inertgasen möglichst gering zu halten.
  • In den benötigten Quantitäten lässt sich Sauerstoff hoher Reinheit bis heute nur kryotechnisch erzeugen. Dabei werden die hohen Kosten für die Luftzerlegungsanlage, die den wirtschaftlichen Betrieb von Kraftwerksanlagen mit einem geschlossenen oder quasi-geschlossenen Kreislauf in Frage stellen, wesentlich durch die geringe Konzentration des Sauerstoffs in der Umgebungsluft und die daraus resultierenden grossen Massen- und Volumenströme in der Lutfzerlegungsanlage verursacht.
  • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage der eingangs genannten Art Sauerstoff hoher Reinheit mit geringen Kosten zur Verfügung zu stellen.
  • Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs erreicht.
  • Kern der Erfindung ist es also, dass der Luftzerlegungsanlage Mittel zur Grobzerlegung der zugeführten Luft vorgeschaltet werden.
  • Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass nach Verlassen der Grobzerlegungsanlage die mit Sauerstoff angereicherte Luft, welche dadurch einen reduzierten Massenstrom aufweist, in die Luftzerlegungsanlage geleitet und dort verarbeitet wird. Durch die vorgeschaltete Grobzerlegungsanlage kann deshalb die herkömmliche Luftzerlegungsanlage sehr viel kleiner und preiswerter gestaltet werden.
  • Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Grobzerlegungsanlage nach einem Membranverfahren oder einem Adsorptionsverfahren, beispielsweise einer Vacuum Swing Adsorption, zu betreiben. Im ersteren Falle kann der permeierte Luftbestandteil je nach Membrantyp entweder Sauerstoff oder Stickstoff sein.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Im folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung unwesentlichen Merkmale sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
  • Es zeigt:
  • Fig. 1 eine Schaltung eines Gasturbinenprozesses mit geschlossenem Kreislauf.
    • Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Die einzige Fig. 1 zeigt eine Gasturbine mit geschlossenem oder zumindest quasigeschlossenem, d. h. zum grossen Teil geschlossenen Kreislauf. Diese Gasturbine bzw. Gasturbogruppe besteht aggregatemässig aus einer Verdichtereinheit 1, einem mit diesem Verdichter 1 gekoppelten Generator 19, einer mit dem Verdichter 1 gekoppelten Turbine 3 und einer zwischen Verdichter 1 und Turbine 3 wirkenden Brennkammer 2. Die Kopplung der Strömungsmaschinen 1 und 3 kann über eine gemeinsame Welle 20 erfolgen. Der Verdichter kann auch mit einem nicht gezeigten Zwischenkühler oder mit Mitteln für eine isotherme Kühlung ausgestattet sein.
  • Der Kreislauf umfasst weiter einen Kühler und/oder Abwärmeverwerter 4, einen Wasserabscheider 5 und eine CO2-Entnahme 6. Das über die CO2-Entnahme 6 entnommene CO2 kann z. B. über eine nicht dargestellte Auskondensierungsanlage auskondensiert und dann umweltschonend entsorgt werden. Im Verdichter 1 wird ein Kreislaufmedium 21, grösstenteils bestehend aus CO2 und gegebenenfalls H2O, verdichtet und der Brennkammer 2 zugeführt.
  • Der Brennkammer 2 werden weiter ein Brennstoffmassenstrom 7, hier z. B. Erdgas oder Methan CH4, und ein Sauerstoffstrom 12 zugeführt und in der Brennkammer 2 verbrannt. Das dabei entstehende Heissgas 22, hier im wesentlichen bestehend aus den Komponenten CO2 und H2O sowie ggf. mit dem Sauerstoff oder dem Brennstoff zugeführten Inertgasen, wird der Turbine 3 zugeführt und dort unter Abgabe von Arbeitsleistung entspannt. Über eine Leitung 16 wird der Turbinenaustrittsstrom dem Kühler und/oder Abwärmeverwerter 4 zugeführt und dort abgekühlt. Das durch die Abkühlung ausfallende Wasser wird über den Wasserabscheider 5 ausgeschieden. Das verbleibende Kreislaufmedium 21 aus mehrheitlich CO2 wird dann wieder dem Verdichter 1 zugeführt. Da die durch die Verbrennung entstehenden Komponenten CO2 und H2O kontinuierlich entfernt werden, entsteht ein Kreislauf mit weitgehend konstanter Zusammensetzung des Arbeitsmediums.
  • Das Kreislaufmedium kann auch durch Wärmeabfuhr verflüssigt werden, wobei dann an Stelle des Verdichters eine Pumpe verwendet werden kann.
  • Zur Herstellung des Sauerstoffstroms 12 wird z. B. eine kryogene Luftzerlegungsanlage 11 verwendet. Die kryogene Auftrennung von Gemischen, wie Luft zwecks Gewinnung von Sauerstoff (O2) und Stickstoff (N2), ist bekannt. In diesem Zusammenhang sei beispielsweise auf das Zwei-Kolonnen-Verfahren der Linde AG verwiesen. Luftzerlegungsanlagen verursachen jedoch hohe Kosten, die in erster Linie von den durchzusetzenden Massen- oder Volumenströmen abhängen. Der kryogenen Luftzerlegungsanlage 11 wird deshalb erfindungsgemäss eine nach einem einfachen Membranprinzip arbeitende, ein- oder mehrstufig ausgelegte Grobzerlegungsanlage 9 vorgeschaltet, in der z. B. Polymermembranen zum Einsatz kommen können. In der Grobzerlegungsanlage wird die angesaugte Luft 8 mit Sauerstoff angereichert, indem Stickstoff abgeschieden wird. Je nach Membrantyp kann der permeierte Luftbestandteil entweder Sauerstoff oder Stickstoff sein. Eine gegebenenfalls notwendige Temperierung des Membranmoduls kann durch Wärmeintegration mit dem Abwärmeverwerter 4 oder der kryogenen Luftzerlegungsanlage 11 erreicht werden. Nach Verlassen der Grobzerlegungsanlage wird der auf mindestens 40 Vol.% Sauerstoff angereicherte und damit um mindestens 50% reduzierte Massenstrom Luft 10 in die kryogene Luftzerlegungsanlage geleitet, die damit sehr viel kleiner und preiswerter gestaltet werden kann, als ohne die vorgeschaltete Grobzerlegungsanlage 9.
  • Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Bezugszeichenliste 1 Verdichter
    2 Brennkammer
    3 Turbine
    4 Kühler und/oder Abwärmeverwerter
    5 Wasserabscheider
    6 CO2-Entnahme
    7 Brennstoffmassenstrom
    8 Luftzufuhr
    9 Grobzerlegungsanlage
    10 Reduzierter Massenstrom Luft
    11 Kryogene Luftzerlegungsanlage
    12 Sauerstoffstrom
    16 Leitung
    19 Generator
    20 Gemeinsame Welle
    21 Kreislaufmedium
    22 Heissgas

Claims (9)

1. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage mit einem geschlossenen oder quasi-geschlossenen Kreislauf, wobei die Kraftwerksanlage im wesentlichen aus mindestens einer Verdichtereinheit (1) oder einer Pumpe, mindestens einer Brennkammer (2), mindestens einer Turbine (3) und mindestens einer Wärmesenke (4) besteht, wobei in der Brennkammer (2) ein Brennstoffmassenstrom (14) mit mindestens einem Sauerstoffstrom (12) zu einem Heissgas reagiert, welches in der mindestens einen Turbine (3) arbeitsleistend entspannt wird, und die entstehenden überschüssigen Verbrennungsprodukte (CO2, H2O) dem Kreislauf an geeigneter Stelle (5, 6) entnommen werden, dadurch gekennzeichnet, dass der der Brennkammer (2) zugeführte Sauerstoffstrom (12) mittels einer Luftzerlegungsanlage (11) gewonnen wird und dieser Luftzerlegungsanlage (11) Mittel (9) zur Grobzerlegung der zugeführten Luft (8) vorgeschaltet sind, um die der Luftzerlegungsanlage (11) zugeführte Luft (10) mit Sauerstoff anzureichern.
2. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzerlegungsanlage (11) nach dem kryogenen Prinzip arbeitet.
3. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (9) zur Grobzerlegung der zugeführten Luft auf einem mindestens einstufigen Membranverfahren beruht.
4. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (9) zur Grobzerlegung der zugeführten Luft auf einem Verfahren der Vacuum Swing Adsorption beruht.
5. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Mittel (9) zur Grobzerlegung der zugeführten Luft (8) der Sauerstoffanteil der der Luftzerlegungsanlage (11) zugeführten Luft (10) auf mindestens 40 Volumenprozent (40 Vol.%) erhöht wird.
6. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die permeierte Luftkomponente Sauerstoff ist.
7. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die permeierte Luftkomponente Stickstoff ist.
8. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine für den Membranprozess benötigte Wärme durch Wärmeintegration mit dem Abwärmeverwerter (4) des Gasturbinenprozesses zur Verfügung gestellt wird.
9. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine für den Membranprozess benötigte Kälte durch Wärmeintegration mit der Luftzerlegungsanlage (11) zur Verfügung gestellt wird.
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