NL1037295C2

NL1037295C2 - Werkwijze voor het afscheiden van kooldioxide uit verbrandingsgassen van een gasturbine en gasturbine-eenheid voorzien van middelen voor het afscheiden van kooldioxide uit verbrandingsgassen.

Info

Publication number: NL1037295C2
Application number: NL1037295A
Authority: NL
Inventors: Paul Henri Raats; Nick Antonius Maria Ten Asbroek
Original assignee: Kema Nederland B V; Procede Group
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2011-03-21

Description

Werkwijze voor het afscheiden van kooldioxide uit verbrandingsgassen van een gasturbine en gasturbine-eenheid voorzien van middelen voor het afscheiden van kooldioxide uit verbrandingsgassen 5

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het afscheiden van kooldioxide uit verbrandingsgassen afkomstig van een gasturbine voorzien van een samengestelde inlaat waaraan lucht en een brandbaar gas worden toegevoerd en 10 waarbij de verbrandingsgassen via een membraaneenheid worden gevoerd die is ingericht voor het afscheiden van althans kooldioxide.

Een dergelijke werkwijze is bekend uit US-A-4,781,907. De 15 bekende werkwijze heeft tot doel relatief zuiver stikstofgas te produceren voor gebruik in bijvoorbeeld de chemische industrie. De werkwijze volgens de uitvinding heeft tot doel kooldioxide te verwijderen uit de verbrandingsgassen afkomstig van gasgestookte 20 elektriciteitscentrales, zodat dit kooldioxide niet in de atmosfeer belandt. Het probleem hierbij is dat enorme volumes verbrandingsgassen worden geproduceerd, waardoor de membraaneenheid groot en duur wordt. De werkwijze volgens de uitvinding komt aan dit bezwaar tegemoet en heeft als 25 kenmerk, dat slechts een deel van de verbrandingsgassen naar de membraaneenheid wordt gevoerd en dat een resterend deel wordt teruggevoerd naar de samengestelde inlaat. Het resultaat hiervan is dat het door de membraaneenheid te verwerken volume afneemt, terwijl het kooldioxidegehalte 30 van de verbrandingsgassen toeneemt, waardoor de membraaneenheid efficiënter kan werken.

Een gunstige realisatie van de inventieve werkwijze heeft als kenmerk, dat 30-50% van de verbrandingsgassen wordt 35 teruggevoerd naar de samengestelde inlaat. Dit heeft tot resultaat dat het volume van de membraaneenheid ongeveer 1037295 2 kan worden gehalveerd.

Een verdere zeer gunstige realisatie van de inventieve werkwijze heeft als kenmerk, dat afgescheiden kooldioxide 5 samen met andere door de membraaneenheid afgescheiden gassen wordt samengeperst en naar een absorptie-eenheid voor kooldioxide wordt gevoerd. De absorptie-eenheid bevat doorgaans een fysisch of chemisch absorptiemiddel voor kooldioxide, zoals glycolen of MDEA, waarin het kooldioxide 10 bij een verhoogde partiaalspanning zeer snel oplost. Samen met het relatief kleine volume dat verwerkt moet worden resulteert dit in een kleine en goedkope absorptie-eenheid.

Een verdere zeer gunstige realisatie heeft als kenmerk, dat 15 gassen die niet door de absorptie-eenheid zijn geabsorbeerd worden teruggevoerd naar de samengestelde inlaat. Deze andere afgescheiden gassen omvatten bij toepassing van een membraaneenheid volgens de stand der techniek ongeveer 75% stikstof en 25% zuurstof, waardoor ze de verbranding in de 20 gasturbine ten goede komen. Bovendien verhogen ze door hun relatief hoge druk het rendement van de gasturbine.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een gasturbine-eenheid, omvattende een gasturbine voorzien van een 25 samengestelde inlaat via welke lucht en een brandbaar gas worden toegevoerd en een uitlaat via welke verbrandingsgassen worden afgevoerd, alsmede een met de uitlaat gekoppelde membraaneenheid, voorzien van een eerste uitlaat voor het afvoeren van althans kooldioxide en een 30 tweede uitlaat voor het afvoeren van althans in hoofdzaak stikstof.

Volgens de uitvinding is de gasturbine voorzien van een terugvoerleiding, voor het terugvoeren van een deel van de 35 verbrandingsgassen vanuit de uitlaat naar de samengestelde inlaat. Dit heeft tot resultaat dat het door de 3 membraaneenheid te verwerken volume afneemt terwijl het percentage kooldioxide toeneemt, zodat met een kleinere membraaneenheid kan worden volstaan. Bij voorkeur is de terugvoerleiding ingericht voor het terugvoeren van 30-50% 5 van de verbrandingsgassen naar de samengestelde inlaat, wat tot resultaat heeft dat het volume van de membraaneenheid ongeveer kan worden gehalveerd.

Een gunstige uitvoeringsvorm van de inventieve gasturbine-10 eenheid heeft als kenmerk, dat de gasturbine-eenheid tevens is voorzien van een pompeenheid voor het handhaven van een onderdruk aan de eerste uitlaat. Dit vergroot de diffusie-snelheid van kooldioxide via de membraaneenheid naar de eerste uitlaat, waardoor de membraaneenheid relatief klein 15 kan worden uitgevoerd.

Een verdere gunstige uitvoeringsvorm heeft als kenmerk, dat de gasturbine-eenheid tevens is voorzien van een met de pompeenheid verbonden absorptie-eenheid, ingericht voor het 20 absorberen van kooldioxide. De absorptie-eenheid bevat doorgaans een fysisch of chemisch absorptiemiddel voor kooldioxide, zoals glycolen of MDEA, waarin het kooldioxide bij een verhoogde partiaalspanning snel oplost. Bij voorkeur is de pompeenheid ingericht voor het handhaven van 25 een druk van 20-50 bar in de absorptie-eenheid. Dit heeft tot resultaat dat het kooldioxide zeer snel oplost, waardoor de absorptie-eenheid relatief klein kan worden uitgevoerd.

30 Een verder gunstige uitvoeringsvorm heeft als kenmerk, dat de absorptie-eenheid is voorzien van een uitlaat, verbonden met de samengestelde inlaat van de gasturbine. Het van de absorptie-eenheid afkomstige gasmengsel dat resteert nadat kooldioxide is geabsorbeerd bestaat bij toepassing van een 35 membraaneenheid volgens de stand der techniek uit ongeveer 75% stikstof en 25% zuurstof, waardoor het de verbranding 4 in de gasturbine ten goede komt. Bovendien draagt het gasmengsel door zijn relatief hoge druk bij aan de rendement van de gasturbine, waardoor het energieverbruik van de pompeenheid althans deels wordt gecompenseerd.

5

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de volgende figuren, waarbij:

Fig. 1 schematisch een mogelijke uitvoeringsvorm van een 10 gasturbine-eenheid voorzien van een kooldioxide- afscheider volgens de stand der techniek weergeeft;

Fig. 2 schematisch een mogelijke uitvoeringsvorm van een gasturbine-eenheid voorzien van een kooldioxide-15 afscheider volgens de uitvinding weergeeft;

Fig. 3 schematisch een verdere uitvoeringsvorm van een gasturbine-eenheid voorzien van een kooldioxide-afscheider volgens de uitvinding weergeeft.

20 Fig. 1 geeft schematisch een mogelijke uitvoeringsvorm van een gasturbine-eenheid voorzien van een kooldioxide-afscheider volgens de stand der techniek weer. Een gasturbine 1 voorzien van een compressordeel 2 waaraan via een inlaat 3 lucht wordt toegevoerd, een verbrandingsdeel 4 25 waaraan via een inlaat 5 een brandbaar gas wordt toegevoerd en een turbinedeel 6 produceert verbrandingsgassen die in een warmtewisselaar 7 worden gekoeld en vervolgens aan een membraaneenheid 8 worden toegevoerd, waarin de verbrandingsgassen op een op zich bekende wijze worden 30 gesplitst in hoofdzakelijk stikstof dat via een eerste uitlaat 9 aan de atmosfeer wordt afgegeven en een stikstof-zuurstof-kooldioxidemengsel dat via een tweede uitlaat 10 met behulp van een pomp 11 naar een absorptie-eenheid 12 wordt gevoerd. Membraaneenheid 8 bevat bijvoorbeeld een 35 groot aantal buisvormige membranen vervaardigd uit bijvoorbeeld polyphenyleenoxide, voorzien van poriën waar 5 kooldioxide sneller doorheen kan diffunderen dan stikstof. In absorptie-eenheid 12 wordt het kooldioxide op een op zich bekende wijze geabsorbeerd in een geschikt fysisch of chemisch absorptiemiddel zoals bijvoorbeeld MDEA, en het 5 resterende mengsel van stikstof en zuurstof wordt via een uitlaat 13 aan de atmosfeer afgegeven. Het kooldioxide bevattende absoptiemiddel wordt naar een desorptie-eenheid 14 gevoerd, waar het kooldioxide bijvoorbeeld door kortstondige verhitting van het absorptiemiddel en/of door 10 het verlagen van de druk wordt vrijgemaakt, waarna het absorptiemiddel wordt teruggevoerd naar absorptie-eenheid 12. Het vrijgekomen kooldioxide wordt met een pomp 15 samengeperst en via een afvoerbuis afgevoerd.

15 Van turbine 1 kan worden opgemerkt dat compressordeel 2 is voorzien van een inlaat 3 waaraan lucht onder atmosferische druk wordt toegevoerd en dat verbrandingsdeel 4 is voorzien van een inlaat 5 waaraan een brandbaar gas onder een relatief hoge druk wordt toegevoerd. Van pomp 11 kan worden 2 0 opgemerkt dat deze twee functies vervult. Enerzijds zorgt pomp 11 voor een onderdruk in membraaneenheid 8, waardoor de gasdiffusie sneller zal verlopen. Anderzijds zorgt pomp 11 voor een hoge druk in absorptie-eenheid 12, waardoor kooldioxide zeer snel zal worden geabsorbeerd door het 25 absorptiemiddel.

Fig. 2 geeft schematisch een mogelijke uitvoeringsvorm van een gasturbine-eenheid voorzien van een kooldioxide-afscheider volgens de uitvinding weer. De gasturbine-30 eenheid komt feitelijk overeen met de in Fig. 1 getoonde gasturbine-eenheid, maar compressordeel 2 is voorzien van een additionele ingang 16 waaraan een deel van de door turbinedeel 4 afgegeven en door warmtewisselaar 7 gekoelde verbrandingsgassen wordt toegevoerd. Op deze wijze kan tot 35 ongeveer 50% van de verbrandingsgassen worden teruggevoerd. Dit heeft tot resultaat dat het totale volume aan 6 verbrandingsgassen afneemt en dat het kooldioxidegehalte van de aan membraaneenheid 8 toegevoerde verbrandingsgassen vrijwel verdubbelt, zodat membraaneenheid 8 beduidend kleiner en goedkoper kan worden uitgevoerd vergeleken met 5 de in Fig. 1 weergegeven membraaneenheid.

Fig. 3 geeft schematisch een verdere uitvoeringsvorm van een gasturbine-eenheid voorzien van een kooldioxide-afscheider volgens de uitvinding weer. De gasturbine-10 eenheid komt feitelijk overeen met de in Fig. 1 getoonde gasturbine-eenheid, waarbij compressordeel 2 is voorzien van een additionele ingang 16 waar een deel van de door turbinedeel 4 afgegeven en door warmtewisselaar 7 gekoelde verbrandingsgassen aan wordt toegevoerd. Bovendien is 15 verbrandingsdeel 4 voorzien van een additionele ingang 17 waaraan het door absorptie-eenheid 12 via uitlaat 13 afgegeven resterende mengsel van stikstof en zuurstof wordt toegevoerd. Dit gasmengsel bestaat bij toepassing van een membraaneenheid en een absorptie-eenheid volgens de stand 20 der techniek uit ongeveer 75% stikstof en 25% zuurstof en het is daarmee zeer geschikt om de verbranding in verbrandingsdeel 4 te onderhouden, temeer omdat het geen kooldioxide bevat. De druk waaronder dit gasmengsel wordt afgegeven wordt in hoofdzaak bepaald door pomp 11 en 25 bedraagt ongeveer 35 bar. Deze druk wordt bij voorkeur zodanig gekozen dat het gasmengsel direct aan verbrandingsdeel 4 kan worden toegevoerd, wat het rendement van de gasturbine vergroot en daarmee de kosten voor het verwijderen van de kooldioxide verlaagt. Ook het 30 energieverbruik van pomp 15 is relatief klein, omdat het verwijderde kooldioxide onder een hoge druk wordt aangeboden.

1037295

Claims

1. Werkwijze voor het afscheiden van kooldioxide uit verbrandingsgassen afkomstig van een gasturbine voorzien 5 van een samengestelde inlaat waaraan lucht en een brandbaar gas worden toegevoerd en waarbij de verbrandingsgassen door een membraaneenheid worden gevoerd die is ingericht voor het afscheiden van althans kooldioxide, met het kenmerk, dat slechts een deel van de verbrandingsgassen naar de 10 membraaneenheid wordt gevoerd en dat een resterend deel wordt teruggevoerd naar de samengestelde inlaat.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 30-50% van de verbrandingsgassen wordt teruggevoerd naar de 15 samengestelde inlaat.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat afgescheiden kooldioxide samen met andere door de membraaneenheid afgescheiden gassen wordt samengeperst en 20 naar een absorptie-eenheid voor kooldioxide wordt gevoerd.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat gassen die niet door de absorptie-eenheid zijn geabsorbeerd worden teruggevoerd naar de samengestelde inlaat. 25

5. Gasturbine-eenheid, omvattende een gasturbine voorzien van een samengestelde inlaat via welke lucht en een brandbaar gas worden toegevoerd en een uitlaat via welke verbrandingsgassen worden afgevoerd, alsmede een met de 30 uitlaat gekoppelde membraaneenheid, voorzien van een eerste uitlaat voor het afvoeren van althans kooldioxide en een tweede uitlaat voor het afvoeren van althans in hoofdzaak stikstof, met het kenmerk, dat de gasturbine is voorzien van een terugvoerleiding, voor het terugvoeren van een deel 35 van de verbrandingsgassen naar de samengestelde inlaat. 1037295

6. Gasturbine-eenheid volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de terugvoerleiding is ingericht voor het terugvoeren van 30-50% van de verbrandingsgassen naar de samengestelde inlaat. 5

7. Gasturbine-eenheid volgens conclusie 5 of 6, met het kenmerk, dat de gasturbine-eenheid tevens is voorzien van een pompeenheid voor het handhaven van een onderdruk aan de eerste uitlaat. 10

8. Gasturbine-eenheid volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de gasturbine-eenheid tevens is voorzien van een met de pompeenheid verbonden absorptie-eenheid, ingericht voor het absorberen van kooldioxide. 15

9. Gasturbine-eenheid volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de pompeenheid is ingericht voor het handhaven van een druk van 20-50 bar in de absorptie-eenheid.

10. Gasturbine-eenheid volgens conclusie 8 of 9, met het kenmerk, dat de absorptie-eenheid is voorzien van een uitlaat, verbonden met de samengestelde inlaat van de gasturbine. 1037295