NO318619B1 - Anordning for forbrenning av et karbonholdig brensel, en fremgangsmate for a betjene nevnte anordning, samt anvendelse av anordningen. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse omhandler en anordning for forbrenning av et karbon-

holdig brensel i nitrogenfri atmosfære, en fremgangsmåte for å betjene nevnte anordning og bruk av nevnte anordning.

Anordningen kan integreres med et kraftverk (dvs. gassturbin(er)) for å oppnå en energieffektiv prosess for kraftproduksjon med redusert utslipp av karbondioksid og NOxtil atmosfæren. Dessuten kan anordningen integreres med et kjemisk anlegg som utfører endoterme reaksjoner.

Konvensjonelle forbrenningsprosesser som brukes for karbonholdig brensel vil i

tillegg til produksjonen av de viktigste sluttproduktene karbondioksid og vann (damp) også produsere en god del varme (forbrenningsvarme). En konvensjonell forbrenningsreaksjon mellom f.eks. metan og oksygen vil gi omtrent 804 kJ pr. mol metan:

Når denne forbrenningsprosessen integreres med f.eks. et kraftverk (dvs. gassturbiner) eller et kjemisk anlegg som utfører endoterme reaksjoner, er det avgjørende at det totale energitapet i forbrenningsprosessen er så lavt som mulig.

Dessuten er det på grunn av miljøaspektene ved CO2og NOx avgjørende at utslippet av disse komponentene til atmosfæren reduseres betydelig sammen-

lignet med konvensjonelle prosesser. Konvensjonelle forbrenningsprosesser danner en avgass med C02-konsentrasjon på mellom 3 og 15 % avhengig av brenselet og hvilken forbrennings- og varmeutvinningsprosess som brukes.

Årsaken til at konsentrasjonen er så lav er at luften inneholder omtrent 78 vol% nitrogen. Under forbrenningsprosesser ved høy temperatur i luft vil nitrogen reagere med oksygen og danne den miljøskadelige forurensende gassen NOx.

En reduksjon i utslippet av karbondioksid til atmosfæren gjør det nødvendig enten å separere karbondioksidet fra avgassen eller å heve konsentrasjonen i avgassen til et slikt nivå at den egner seg for forskjellige kjemiske prosesser eller for injeksjon f.eks. i en geologisk formasjon for langtidsdeponi eller forbedre utvinning av olje fra et oljereservoar.

Fra kald avgass som normalt slippes ut ved nær atmosfæretrykk kan man fjerne C02ved hjelp av flere forskjellige separasjonsprosesser, f.eks. kjemisk aktive separasjonsprosesser, fysiske absorpsjonsprosesser, absorpsjon med molekyl-sikt, membranseparasjon og kryogeniske teknikker. Kjemisk absorpsjon, for eksempel med alkanolaminer. anses som den mest praktiske og økonomiske metoden for å separere C02fra avgassen. Disse separasjonsprosessene for-bruker energi og krever tungt og voluminøst utstyr. I en kraftproduksjonsprosess vil disse separasjonsprosessene redusere kraftutbyttet med 10 % eller mer.

Det er mulig å øke konsentrasjonen av C02i avgassen fra en forbrenningsreaksjon til et nivå som egner seg for bruk i forskjellige kjemiske prosesser eller for injeksjon f.eks. i en geologisk formasjon for langtidsdeponi eller for å forbedre utvinningen av olje fra et oljereservoar ved å brenne det karbonholdige brenselet med rent oksygen i stedet for luft.

Kommersielle luftseparasjonsmetoder (f.eks. kryogenisk separasjon eller PSA (Pressure Swing Absorption)) for produksjon av rent oksygen krever 250 til 300 kWh/tonn produsert oksygen. Hvis man bruker disse metodene til å forsyne en forbrenningsprosess med oksygen i en gassturbinsyklus, vil de redusere netto-utbyttet av energi fra gassturbinsyklusen med minst 20 %. Kostnaden ved å produsere oksygen i en kryogenisk enhet vil øke prisen på den produserte elektriske kraften betydelig og kan utgjøre så mye som 50 % av prisen på den elektriske kraften.

Imidlertid er en metode som krever mindre energi enn disse separasjons-metodene kjent fra European Patent Application 658 367-A2. Patentsøknaden beskriver bruk av en blandingsledermembran (a Mixed Conducting Membrane (MCM)) integrert med et gassturbinsystem hvor membranen separerer oksygen fra en oppvarmet luftstrøm..

EP 170244 beskriver en fremgangsmåte for å generere nettoeffekt i en forbrenningsturbin samt fremstilling av et oksygenanriket biprodukt.

EP 916386 beskriver en metode for å produsere oksygen, nitrogen og/eller karbondioksid i kombinasjon med kraftproduksjon.

EP 882486 omhandler en forbrennihgsprosess hvor det anvendes en kompakt elektrolytt ioneleder membran for å oppnå en mer økonomisk og mindre forurensende prosess.

EP 213548 beskriver en fremgangsmåte for å fremstille oksygen og nitrogen i kombinasjon med varmegjenvinning fra en forbrenningsprosess.

Ingen av disse publikasjonene omhandler imidlertid en anordning for en energieffektiv forbrenning av et karbonholdig brensel.

En blandingsledermembran (MCM) defineres som en membran laget av materialer med både ionisk og elektronisk ledningsevne. Membranen transporterer oksygen selektivt. Drivkraften gjennom membranen er proporsjonal med det logaritmiske forholdet mellom partialtrykkene av oksygen; log(p02(l)/p02(N)), hvor (I) er den siden av membranen hvor oksygen leveres (fra luft), og (II) er den siden av membranen hvor oksygen mottas. For å holde transporthastigheten (fluksen) for oksygen høy er det viktig å holde et lavt partialtrykk på oksygenmottaksiden. Derfor bruker man for ytterligere å forbedre effektiviteten av denne membran-prosessen en bæregass for å redusere partialtrykket av oksygen på oksygenmottaksiden av membranen og dermed øke fluksen av oksygen gjennom membranen, f.eks. som beskrevet i US 5562754 og NO-A-972632.

For å oppnå praktisk bruk av blandingsledermembraner (MCM) når de brukes som oksygenleverandør i en forbrenningsprosess er følgende kriterier avgjørende: a) Drivkraften for oksygentransporten gjennom membranen, uttrykt som det logaritmiske forholdet mellom oksygentrykkene; log(p02(l)/p02(ll)), må

holdes høy.

b) Membranen må fungere ved høy temperatur (>600 °C) for å oppnå en tilstrekkelig oksygenfluks gjennom membranen. Derfor må luft eller andre

gasser som kommer i kontakt med membranen ha høy temperatur.

For å sikre at drivkraften gjennom membranen holdes høy må oksygenet på mottaksiden av membranen: i) transporteres bort fra membranoverflaten ved hjelp av en bæregass, eller ii) forbrukes av en kjemisk reaksjon (f.eks. en forbrenningsprosess) direkte på

oksygenmottaksiden.

Dette betyr at anordningen som skal utføre en energieffektiv forbrenning i en nitrogenfri atmosfære må lages for å fungere under slike prosessbetingelser som de som er nevnt ovenfor. Altså er det et behov for en slik anordning som ikke er kjent fra før og en metode som ikke er kjent fra før til å betjene en slik anordning.

Hovedmålet for foreliggende oppfinnelse var å fremskaffe en anordning som er effektiv for å oppnå forbrenning av et karbonholdig brensel i nitrogenfri atmosfære. Et annet mål for oppfinnelsen var å fremskaffe en anordning som er effektiv for å oppnå en forbrenningsprosess som resulterer i en avgass med høy konsentrasjon av C02 og lav konsentrasjon av NCy

Dessuten var det et mål for oppfinnelsen å fremskaffe en fremgangsmåte for å betjene nevnte anordning.

Ytterligere et mål for oppfinnelsen var å fremskaffe et anlegg og en fremgangsmåte for en energieffektiv kraftproduksjon.

Nok et mål for oppfinnelsen var å fremskaffe et anlegg og en fremgangsmåte for kraftproduksjon med redusert utslipp av karbondioksid og NOxtil atmosfæren.

Oppfinnerne fant at de beskrevne målene ble oppfylt ved å bruke en anordning hvor én eller flere blandingsledermembranmoduler, én eller flere varmevekslermoduler og ett eller flere forbrenningskamre er innelukket i et hult skall (et trykk-kammer) som definerer et hylster. Anordningen kan videre integreres med én eller flere gassturbiner i et anlegg for kraftproduksjon. Den kan også integreres med et kjemisk anlegg som utfører en endoterm reaksjon for å forsyne reaksjonen med den nødvendige varmen.

Den eller de blandingsledermembranen(e) som brukes i anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse vil ved slike forhold som er beskrevet ovenfor (i punkt a) og b)) transportere oksygen fra en gass som leverer oksygen (f.eks. luft) til en gass som mottar oksygen. Gassen som mottar oksygen har et lavere partialtrykk av oksygen enn gassen som leverer oksygen. Gassen som mottar oksygen tilsettes et karbon rikt brensel (f.eks. naturgass) og mellom oksygenet og det tilsatte brenselet finner det sted en forbrenningsreaksjon som produserer varme.

Forbrenning av naturgass med rent oksygen gir en avgass som inneholder de to hovedproduktene karbondioksid og vann (damp). I henhold til foreliggende oppfinnelse er det avgassen som brukes til å motta oksygen. Den oksygenrike gasstrømmen (dvs. den oksygenanrikede avgassen) føres til forbrenningskammeret og brukes som oksidasjonsmiddel i forbrenningsreaksjonen. Dermed unngår man å produsere den miljøskadelige NCvgassen.

Varmeenergien som produseres i forbrenningsreaksjonen brukes ved hjelp av én eller flere varmevekslere til å varme opp luften som føres til MCM-modulen(e) samt til å varme opp oksygenfattig luft fra MCM-modulen(e) før den kan gå inn i en kraftproduksjonsturbin eller et kjemisk anlegg som utfører en endoterm reaksjon.

Altså oppvarmes luftstrømmen som føres til membranen uten produksjon av C02 eller NOxi strømmen. I forbrenningsreaksjonen forbrukes nesten alt oksygenet, og dermed kan avgassen som nå har et svært lavt partialtrykk av oksygen resirkuleres til MCM som en bæregass som tar med seg oksygen før den føres til forbrenningskammeret igjen. Dette innebærer at vi har en kontinuerlig forbrenning. Fra avgassen må det tas ut en aytappingsstrøm for å balansere det tilsatte brenselet og det mottatte oksygenet for å hindre opphoping av masse. Denne avtappingsstrømmen som tas ut av anordningen ved høyt trykk og temperatur, kan også føres til et kraftproduksjonssystem (turbin). I turbinen senkes trykket i avtappingsstrømmen og den avkjøles slik at nesten all damp kondenseres til vann. Dette betyr at gasstrømmen hovedsakelig vil bestå av karbondioksid. Denne karbondioksidstrømmen må komprimeres til et trykk som gjør det mulig å sprøyte den inn i et underjordisk reservoar, et reservoar som kan være et vannførende lag eller et gass- eller oljereservoar. Disse reservoarene bør være kvalifisert for å sikre langtidsdeponi.

Som nevnt ovenfor brukes avgassen som bæregass for å ta opp oksygen i membranmodulen(e) og transportere oksygenet til ett eller flere forbrenningskamre hvor det tilsettes brensel. Varmen som produseres i avgassen må transporteres til luftstrømmen på en effektiv måte, og på en slik måte at lekkasje mellom bæregass og luft forhindres eller reduseres til et akseptabelt nivå.

Videre fant oppfinnerne at hvis de brukte en struktur med mange plater eller kanaler som MCM-modul, og/eller som varmevekslermodul, førte det til at anordningen ble svært effektiv. Strukturer med mange kanaler er funnet å være de mest fordelaktige fordi de kan ekstruderes i ett stykke (dvs. en monolitt) og dermed får man et stort overflateareal på dette ene stykket. Fortrinnsvis lages både varmevekslermodulen(e) og MCM-modulene av et keramisk materiale som kan utstå de foreliggende prosessbetingelsene (atmosfære, temperatur og trykk).

Slike strukturer, spesielt med kanaldiameter under 10 mm, gir et svært høyt overflateareal/volumenhet. Hvis annenhver rekke av kanaler lages med innløps-åpninger som beskrevet i US Patent 4271110, fås et forenklet forgreningssystem til annenhver rekke kanaler og dermed en lav sannsynlighet for lekkasje mellom luftsiden og oksygenmottaksiden.

For å få størst mulig overflateareal for varmeveksling og/eller oksygentransport (når de brukes som MCM-modul) bør kanalene være svært små, og hver av luftkanalene bør være omgitt av (dvs. ha felles vegger med) den andre gassen (dvs. bæregass/avgass). En slik konfigurasjon trenger et svært komplisert system for å fordele de to gassene (manifolding) til hver nabokanal.

I henhold til foreliggende oppfinnelse blir slike monolittiske strukturer med mange kanaler koblet sammen på en slik måte at MCM-modulen er montert mellom to varmevekslermoduler. Videre monteres disse modulene i et trykkammer som heretter defineres som reaktoren. Et slikt system vil sikre at MCM kan fungere ved en definert temperatur som er høyere enn temperaturen i luftstrømmen som føres til systemet og under forbrenningstemperaturen (dvs. temperaturen i avgassen fra forbrenningskammeret).

Et annet viktig trekk ved foreliggende oppfinnelse er strømningsmønsteret for de to gasstrømmene. Den første gasstrømmen (luftstrømmen) har en strøm fra innløp til utløp av reaktoren som følger retningen av kanalene i de monolittiske strukturene (dvs. varmevekslere og MCM). Dette betyr at gassen kommer inn og går ut av de åpne kanalene på de små endeflatene og strømmer gjennom et åpent rom eller en lukket struktur som binder disse endene sammen. Den andre gasstrømmen strømmer inn og ut av sideåpningene i monolitten, gjennom omføringsrom eller koblinger til sideluken på de nærmeste monolittiske strukturene. Disse omføringsrommene omgir det indre åpne rommet for den første gassen.

Et slikt strømningsmønster for gassene vil gjøre det mulig for én av gassene, her den andre gassen, å lekke og fylle all tilgjengelig plass eller "tomrom" i reaktoren. Kravet til en gasstett tetning blir da for den første gassen redusert til bare å gjelde tetning mot den andre gassen (ikke mot "tomrommet" i reaktoren) som befinner seg i de indre koblingene mellom de monolittiske strukturene.

Dette trekket er svært viktig fordi det er nødvendig med en kontrollert lekkasje av . gass for å bygge opp og utligne trykket inne i reaktorhuset, og for å unngå blanding tillates bare én av gassene å lekke. Denne kontrollerte og nødvendige lekkasjen gjør det mulig å bruke en fleksibel tetning med definert lekkasjehastighet for de omforende koblingene for den andre gassen. Det er svært viktig med fleksibilitet for å unngå varmestress i koblingsdelene/de monolittiske strukturene og dermed fatale sprekkdannelser.

Ved å fylle reaktoren med gass av nesten samme trykk som gassen inne i de monolittiske kanalene må bare det ytre trykkskallet til reaktoren motstå det absolutte eller totale trykket i prosessen. Trykket mot de monolittiske veggene reduseres for å motstå trykkforskjellen mellom de to gassene (gass 1 og gass 2 på

Figur 3).

Oppfinnelsens omfang og de spesielle trekkene ved den er som definert i de medfølgende patentkravene.

Oppfinnelsen forklares og illustreres videre med de følgende figurene.

Figur 1 viser en skisse av en utførelse av anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse inkludert de funksjonelle delene som varmevekslermodul, MCM-modul og forbrenningskammer. Det er også inkludert en trykkforsterker, her vist som en jet-ejektor drevet med damp under høyt trykk. I denne utførelsen er alle modulene montert inne i reaktoren. Figur 2 viser en annen utførelse av anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse inkludert de samme funksjonelle delene som varmevekslermodul, MCM-modul samt et forbrenningskammer og en trykkforsterker, men i denne utførelsen skjer forbrenningen i et separat kar som er koblet til reaktoren. Trykkforsterkeren monteres i forbindelses-rørene, fortrinnsvis foran forbrenningskammeret hvor bæregassen har sin laveste temperatur. Figur 3 viser en skisse av en monolittstruktur med mange kanaler som brukes

som MCM-modul og/eller som en varmevekslermodul.

Figur 4 viser en utførelse av reaktoren med de forskjellige modulene samt de

andre funksjonelle komponentene i reaktoren.

Figur 5 viser forskjellige former for koblingene mellom MCM- og varmeveksler-modulene og forskjellige metoder som brukes for å tette koblingene mellom modulene. Figur 6 viser en utførelse av anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse hvor forbrenningskammeret er montert utenfor reaktoren samt noen av de indre komponentene som er tatt ut av reaktoren for å illustrere disse individuelle komponentene bedre. Figur 7 viser en mer detaljert illustrasjon av hele anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse og de individuelle komponentene av reaktoren. Figur 8.1 viser en utførelse av et kraftverk hvor anordningen i henhold til

foreliggende oppfinnelse er integrert med gassturbiner.

Figur 8.2 viser en annen utførelse av et kraftverk hvor anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse er integrert med gassturbiner og hvor mer enn én reaktor har et felles forbrenningskammer. Figur 9.1 viser en utførelse av anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse hvor hver prosesstrøm er forsynt med et nummer i samsvar med Tabell 1.

Figur 9.2 illustrerer hvilken vei luften strømmer gjennom reaktoren.

Figur 1 viser en prinsippskisse av anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse som viser prosesstrømmene og de viktige prosessenhetene (H-01), (X-01), (H-02), (F-01) og (1-01). Enhetene er alle montert inne i reaktorens trykkskall (hylster, (RT)) som i dette eksemplet er identisk med skallet til anordningen. Figuren viser at en oksygenholdig gasstrøm (her luft) føres gjennom en kompressor. Den komprimerte luftstrømmen (AN-030) føres videre til varmevekslermodulen (H-01) hvor den varmes opp (AN-050) før den føres til MCM-modulen (X-01) hvor det separeres oksygen fra luftstrømmen som dermed blir en oksygenfattig luftstrøm (AL-010). Den oksygenfattige luftstrømmen (AL-010) føres til varmeveksleren (H-02) for å varmes opp ytterligere før den føres ut av anordningen (AL-020). Den oksygenfattige luftstrømmen (AL-020) kan føres til en turbin for kraftproduksjon eller til et kjemisk anlegg som utfører endoterme reaksjoner. En bæregass (EG-020) føres til MCM-modulen (X-01), tar opp oksygen ved oksygenmottaks- siden av membranen og transporteres videre gjennom varmevekslermodulen (H-01). Den oksygenanrikede gasstrømmen (EGO-030) komprimeres deretter i en trykkforsterker (1-01) før den føres til forbrenningskammeret (F-01). Forbrennings- kammeret (F-01) hvor brenselet (NG-010) tilsettes og brennes er i dette eksemplet montert inne i reaktorens trykkskall. Avgassen (EG-010) er nå nesten oksygenfri på grunn av forbrenningen i (F-01).

En del av det varme forbrenningsproduktet eller avgassen (EG-010) tas ut som en avtappingsstrøm (EG-040) for å hindre opphoping av masse i reaktoren, mens resten av produktgassen føres til varmevekslermodulen (H-02) og varmes opp til den operative temperaturen til membranen. I membranmodulen fungerer strøm (EG-020) som en bæregass. Den varme og oksygenanrikede bæregasstrømmen (EGO-020) føres til varmevekslermodulen (H-01) for å varme opp den innkommende gasstrømmen (AN-030). Den oppvarmede luftstrømmen (AN-050) føres inn i MCM-modulen (X-01) ved den operative temperaturen til MCM-modulene (X-01). Det må installeres en trykkforsterker (1-01) for å forbedre sirkulasjonen i bæregassløyfen og sikre kontinuerlig forbrenning. På Figur 1 er dette en jet-ejektor som drives ved injeksjon av damp under høyt trykk. Jet-ejektorn har den fordelen at den ikke har noen bevegelige deler og kan bygges i et materiale (dvs. keramisk materiale) som kan motstå svært høye temperaturer. Den oksygenfattige gasstrømmen (AL-020) og avtappingsstrømmen (EG-040) kan føres til gassturbiner for kraftproduksjon.

Figur 2 viser en annen utførelse av anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse hvor trykkforsterkeren (1-01) og forbrenningskammeret (F-01) er montert utenfor reaktorens trykkskall (RT), men innenfor skallet til anordningen. Dette trekket bidrar til å forenkle konstruksjonen av anordningen. Fordelen med å montere (1-01) og (F-01) utenfor reaktoren er at vedlikeholdsarbeidet forenkles og at det blir mulig å bruke kjøleapparatur. Dermed kan man bruke en roterende trykkøkningsmaskin som trykkforsterker (1-01) som avbildet på denne figuren. Strømningsmønsteret i denne utførelsen er det samme som i utførelsen som er vist på Figur 1. Den eneste forskjellen er at det ikke sprøytes inn høyttrykksdamp (HP) (fordi det ikke brukes jet-ejektor), men dette vil ikke endre det prinsipielle strømningsmønsteret. Injeksjon av høyttrykksdamp (HP) som vist på Figur 1 vil redusere nettoeffektiviteten for kraftproduksjon i prosessen, og derfor er en roterende maskin som vist på Figur 2 mer fordelaktig for effektiviteten.

Et ytre forbrenningskammer vil også forenkle systemet for injeksjon av brensel (NG-010) og gjøre det lettere å oppskalere anordningen som vist på Figur 8.

Figur 3 viser en monolittstruktur med mange kanaler som i henhold til foreliggende oppfinnelse med fordel kan brukes både som varmevekslermodul og membranmodul. Som nevnt ovenfor er slike strukturer fordelaktige hovedsakelig på grunn av den enkle måten de kan tilvirkes på. Men foreliggende oppfinnelse begrenser seg ikke til bruk av bare slike strukturer, og andre konfigurasjoner (f.eks. plater) kan være et alternativ.

I henhold, til Figur 3, med de samme navnene på strømmene som i Figur 1 og 9, representerer gass 1 gasstrømmene (AN-030) og (AN-050) hvis monolittstrukturen er modul (H-01), gasstrømmene (AN-050) og (AL-010) hvis monolittstrukturen er modul (X-01). Hvis monolittstrukturen er modul (H-02) er gass 1 gasstrømmene (AI-010) og (AI-020).

Gass 2 representerer gasstrømmene (EGO-020) og. (EGO-030) hvis modulen er (H-01), gasstrømmene (EG-030) og (EGO-010/020) hvis modulen er (X-01) og gasstrømmene (EG-020) og (EG-030) hvis modulen er (H-02).

Gass 1 følger den rette banen gjennom kanalene og føres altså alltid inn og ut gjennom de åpne rekkene av kanaler i endene av monolitten. Gass 2, normalt bæregassen, føres alltid inn og tas ut gjennom åpningene i sideveggen av monolittstrukturene. Siden disse monolittstrukturene fortrinnsvis lages ved ekstru-sjon, vil alle kanalene ha samme lengde. Innløps- og utløpsåpningene for gass 2 må lages etter ekstrusjonen ved å bearbeide annenhver kolonne av kanaler som det er visualisert på figuren. Etter bearbeiding ned til foretrukket dybde må de åpne rekkene av kanaler (laget ved bearbeiding) lukkes med en tetning på en slik måte at man beholder et tilstrekkelig åpningsareal for sideluken (inn- og utløp for gass 2).

Problemet med å hindre lekkasje i fordelingssystemet for to forskjellige gasser som føres inn og ut av monolittene med mange kanaler reduseres til et minimum ved å lage disse inn- og utløpsåpningene som beskrevet under og som vist på

Figur 3.

I henhold til foreliggende oppfinnelse har kanalene en diameter på under 10 mm. Det foretrekkes en diameter på mellom 1 og 8 mm. Figur 4 viser en utførelse av reaktoren som beskrevet under Figur 2, hvor forbrenningskammeret og trykkforsterkeren er montert utenfor reaktorhylsteret. Figuren viser koblingsflensene på innløpet (EG) og utløpet (EGO) for bæregasstrømmen samt innløpet (AN) for luftstrømmen og utløpet (AL) for den oksygenfattige luftstrømmen. Inne i reaktoren er retningen for disse strømmene visualisert med stiplede linjer. Varmeveksleren (H-01), MCM-modulen (X-01) og varmeveksleren (H-02) er festet sammen med koblingene mellom (H-01), (X-01) og (H-02). Disse koblingene blir fortrinnsvis glassforseglet før de monteres i reaktoren, for å sikre mot lekkasje og vil dermed være i ett stykke (dvs. med tett sammenføyning). Under oppvarming må denne hele delen kunne utvide seg. Dette beskrives nærmere under Figur 7. Figur 5 viser alternative fasonger for koblingene mellom (X-01) og (H-01/H-02). (H-01) og (X-01) samt (X-01) og (H-02) kan altså kobles tett til hverandre med forskjellige komponenter som vist på figuren. Den viktigste faktoren er å ha en god tetning uten lekkasje mellom den indre gassen (dvs. gass 1 som beskrevet under Figur 3, fortrinnsvis luft) og den ytre gassen (dvs. gass 2 som beskrevet under

Figur 3, fortrinnsvis bæregass).

Figur 6 viser en utførelse av anordningen i henhold til illustrasjonen på Figur 2, hvor både forbrenningskammeret (F-01) og trykkforsterkeren (1-01) er montert utenfor reaktoren. Brensel (NG) sprøytes inn i lavtemperatursonen foran inntaket til (1-01) for å sikre god blanding med den oksygenanrikede bæregassen (EGO) før den føres inn i forbrenningskammeret (F-01). På grunn av for lav temperatur kan forbrenningen, iallfall delvis, forbedres med en katalysator. Bæregasstrømmen (EGO) fra (H-01) avkjøles av luftstrømmen (AN) og har sin laveste temperatur før (1-01). Trykket i strømmen (EGO) økes ved hjelp av (1-01) før den føres inn i forbrenningskammeret (F-01) utenfor reaktoren. I (F-01) reagerer oksygenet i strøm (EGO) med det tilførte brenselet, og man får en forbrenning. I forbrenningen forbrukes nesten alt oksygen. Dermed vil avgassen (EG), som hovedsakelig inneholder reaksjonsproduktene C02 og H20, ha et lavt innhold av oksygen. (EG) føres inn i den andre varmeveksleren (H-02), hvor den varmer opp den oksygenfattige luftstrømmen (AL) fra reaktoren.

(EG) vil dermed bli kjølt litt ned av (AL) i (H-02) før den føres inn i membranmodulen(e) (X-01). I (X-01) fungerer (EG) som en bæregass og tar opp oksygen som transporteres gjennom membranveggen fra luftsiden. Den oksygenanrikede bæregassen som forlater (X-01), nå med betegnelsen (EGO), føres så inn i den første varmeveksleren (H-01) hvor luftstrømmen (AN) varmes opp og strømmen (EGO) avkjøles. Altså kommer en avkjølt oksygenholdig bæregass (EGO) nå tilbake via (1-01) til (F-01) og man får altså en forbrennings-/bæregassløyfe som er gunstig for en kontinuerlig forbrenning.

Enten fra den oksygenanrikede bæregassen (EGO) eller fra avgassen (EG) må det tas ut en avtappingsgass for å hindre opphoping av masse i bæregassløyfen på grunn av oksygentransporten fra luften og tilsetningen av brensel. Et eksempel på utløp for avtappingsgassen er vist på Figur 8.1 og 9.1.

Også noen av de individuelle komponentene av reaktoren er vist på Figur 6.

Figur 7 viser en mer detaljert utførelse av anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Reaktorens trykkammer 1 inneholder lavtemperaturvarmeveksleren 9, høy-temperaturvarmeveksleren 19 og MCM-modulene 15. Altså er alle andre deler bygd opp rundt disse enhetene 9, 15 og 19, noe som sikrer god varmetransport (fra bæregass/avgass til luft) og oksygentransport (fra luft til bæregass). Delene 8, 14 og 18 brukes til å lage en rund fasong ved ytterveggen av varmevekslerne og MCM-modulene for å sikre en mindre komplisert tetning. Disse delene kan også lages med kanaler på en slik måte at de kan brukes som varmevekslere 8 og 18 eller som MCM-moduler 14. De individuelle delene 10, 11, 12 og 13 vil passe sammen og utgjøre koblingen mellom lavtemperaturvarmeveksleren 9 og MCM-modulene 15 som vist på Figur 5.3. På samme måten utgjør de individuelle delene 16, 17, 20 og 21 koblingen mellom MCM-modulene 15 og høytemperaturvarme-veksleren 19. Koblingsdelen 11 vil fortrinnsvis være glassforseglet til 9 og 15 i begge ender, og del 21 i sin tur vil være glassforseglet til 15 og 19. Altså må varmeekspansjonen for materialet i 11 passe sammen med både 9 og 15, og tilsvarende må varmeekspansjonen for materialet i 21 passe sammen med 15 og 19. Et alternativ er å ekstrudere disse koblingsdelene 11 og 21 med en gradvis forandring i sammensetning av materialet slik at materialet i den enden av 11 som er koblet til 9 passer sammen med denne mhp. termisk ekspansjon, mens den andre enden av 11 passer sammen med 14. Tilsvarende kunne 21 også lages på en slik måte at varmeekspansjonen passer sammen med materialet både i 15 og 19 for å unngå sprekker. Også plenuminntakskammeret for luft, enhet 7, kunne glassforsegles til lavtemperaturvarmeveksleren 9 for å sikre minimal lekkasje. Altså må også varmeekspansjonen for materialet i 7 passe til 9. På samme måten kan utløpsplenum 23 for oksygenfattig tuft glassforsegles til 18 og 19, og dermed må 23 lages av et materiale som passer til 18 og 19 mhp. varmeekspansjon. Del 7 lages i innløpsenden (innkommende luft) av en rund form (rør) for at den lettere skal kunne passes inn i en fleksibel tetning 5. Tilsvarende gjøres også for utløpsplenum 23 (for den oksygenfattige varme luften). Også her, på samme måte som med innløpet, er det vist en ringtetning 24. For en vertikal orientering som vist på Figur 7 kan det være unødvendig med en nedre fleksibel tetning. Denne enden kunne være fast og varmeutvidelsen kunne skje i den øvre enden på grunn av fleksibiliteten av tetningen 5. Altså må det i minst én ende brukes en tetning som tillater utvidelse i lengderetningen. I foreliggende oppfinnelse løses dette ved å utforme innløps- og/eller utløpskoblingene 4 og 25 i en rund fasong (rør-ende). Dette gjør det lettere å oppnå en fleksibel tetning. De fleksible tetningsringene 5 og 24 må lages av et temperaturbestandig materiale (keramikk eller metall). Også andre fleksible "rør"-tetningssystemer kan brukes.

Innløps- og utløpsrørene 4 og 25 kan ha samme form for å forenkle fabrikasjonen. Innløpsrøret 4 leder luftstrømmen til plenuminnløpet som utgjøres av 7 og er laget slik at det kan monteres fleksible tetninger 5. Innløpsrøret 4 lages fortrinnsvis av et materiale som også fungerer som varmebarriere eller foring mellom den varme innløpsluften og det ytre metallrøret som er koblet til trykkammerhylsteret. Dette er spesielt viktig for utløpsrøret 25 i den varme enden. På figuren vises også delene 6 og 22, som fungerer som varmebarriere eller foring mellom forbrennings-/ bæregass og trykkammerets metalliske innløpsVutløpsrør med koblingsflenser.

På figuren vises også varmebarrieren og isolasjonen 3 mellom de varme indre delene og den ytre metallveggen eller hylsteret til trykkammeret. Ved å holde temperaturen lav (<500 °C) i det ytre trykkhylsteret kan man få en reduksjon av varmetapet og gjøre det mulig å lage trykkhylsteret av et vanlig materiale (dvs. karbonstål). Ved å senke temperaturen reduseres også tykkelsen av veggen og dermed også den totale vekten av anordningen. Dette er viktig for. offshore-installasjoner.

Delene 3 er også laget i en slik form og i et slikt materiale at de kan fungere som støtte for de indre delene. 2 er et lag av fleksibelt materiale mellom innerveggen (trykkhylsteret) og 3 tillater litt bevegelse som forårsakes av varmeutvidelse. Figur 8.1 viser en utførelse av anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse hvor anordningen er integrert med gassturbiner. Figur 8.2 viser en annen utførelse som integrerer reaktoren med gassturbiner hvor mer enn én reaktor har et felles forbrenningskammer.

I henhold til foreliggende oppfinnelse kan en eller flere reaktorenheter kobles sammen og dele et felles forbrenningskammer som vist på Figur 8.1. Dette vil gjøre det mulig å produsere et høyt antall reaktorer av standardstørrelse og gir en kostnadseffektiv produksjon ved å øke det totale kraftutbyttet (oppskalering) ved å integrere eller sammenkoble reaktorer av standardstørrelse som vist på Figur 8.2. Hvis for eksempel den enkelte anordningen i anlegget som vises på Figur 8.1 produserer 10 MW kraft og anlegget som vises på Figur 8.2 har 6 reaktorer av samme størrelse som en standard enkelt reaktor, vil anlegget produsere omtrent 60 MW.

På Figur 8.1 vises to forskjellige alternativer for uttak av avtappingsstrømmen. Ett alternativ (alt. 1) er å ta ut en avtappingsstrøm fra den kalde delen av bære-gassløyfen. Avtappingsstrømmen vil ha en temperatur som gjør det mulig å sende den direkte til en dampturbin. Avtappingsstrømmen som tas ut som vist under alternativ 1 inneholder oksygen, og denne prosesstrømmen kan dermed brukes for ytterligere varmeproduksjon i nitrogenfri atmosfære og dessuten som varme-kilde i en endoterm prosess. I alternativ to (alt. 2) tas det ut en avtappingsstrøm etter forbrenningen, og denne er derfor nesten oksygenfri og har høy temperatur. Hvis man bruker en dampturbin til å forbedre kraftproduksjonen fra denne strømmen må temperaturen senkes, f.eks. ved å sprøyte inn vann. Avtappings-strømmen kan tas ut hvor som helst i bæregassløyfen. På Figur 8.1 er det også vist at innløpsrøret for luft (fra kompressor til reaktor) er lengre en utløpsrøret for oksygenfattig luft (fra reaktor til turbin). Dette er funnet å være fordelaktig på grunn av den høyere temperaturen i den oksygenfattige utløpsluftstrømmen sammen-liknet med innløpsstrømmen.

Figur 9.1 viser anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse med strømningsretningen inntegnet for de forskjellige gasstrømmene. Figuren viser at en oksygenholdig gasstrøm (AN-030), fortrinnsvis en komprimert luftstrøm, føres til varmevekslermodulen (H-01) hvor den varmes opp før den føres videre til MCM-modulen (X-01). Oksygen transporteres gjennom membranveggen og tas opp av bæregasstrømmen (EG-030). En oksygenanriket bæregasstrøm kommer ut av modulen (X-01), og kalles nå (EGO-010).

En del av brenselet, (NG-030), blandes med strømmen (EGO-010) i et ekstra forbrenningskammer (F-02) som befinner seg mellom (X-01) og (H-01), hvor varmen som produseres i denne forbrenningen føres til varmeveksleren (H-01) for å varme opp den innkommende luften. Det må understrekes at foreliggende oppfinnelse vil fungere uten dette forbrenningskammeret (F-02) som forklart under Figur 6. Ved denne utførelsen vil bæregasstrømmen (EGO-020) når den kommer inn i varmeveksleren (H-01) ha litt høyere temperatur enn strømmen (EGO-010) og litt mindre oksygeninnhold. Bæregasstrømmen (EGO-020) føres så til varmeveksleren (H-01) for å varme opp den innkommende luften til MCM-modulen (X-01). Bæregasstrømmen (EGO-030) fra (H-01) har nå sin laveste temperatur og føres til hovedforbrenningskammeret (F-01) utenfor reaktoren hvor mesteparten av brenselet (NG-.020) forbrennes. Det monteres en trykkforsterker (1-01) nær innløpet til hovedforbrenningskammeret (F-01). Trykkforskjellen mellom EGO-030 til EGO-040, som økes av trykkforsterkeren (1-01), brukes til å sikre sirkulasjon i bæregass-/avgassløyfen.

En del av den varme avgassen (EG-040) tas ut som en avtappingsstrøm for å hindre opphoping av masse i forbrennings-/bæregassløyfen. I prinsippet kan avtappingsstrømmen (EG-040) tas ut hvor som helst i bæregassløyfen. For eksempel kan den tas ut i den kalde enden, fra (EGO-030), og sendes direkte til en dampturbin. Avgassen (EG-020) føres gjennom høytemperaturvarmeveksleren (H-02) til membranmodulen (X-01). (EG-030) fungerer som bæregass og tar opp oksygen som transporteres gjennom membranen fra luftsiden og transporterer det videre til forbrenningskammeret. Altså får man en lukket sløyfe med kontinuerlig forbrenning av et karbonrikt brensel med 02i en C02- og H20-rik atmosfære.

Figur 9.2 viser hvordan plenuminnløpet og -utløpet 7 og 23 og varmevekslerne (H-01) og (H-02) og MCM-modulen (X-01) kan bygges i en forseglet enhet. Dette tjener til å illustrere ett viktig trekk ved foreliggende oppfinnelse, nemlig retningen eller banene for de to hovedstrømmene luft og bæregass som bidrar til å redusere lekkasjen mellom luft- og bæregasstrømmen til et minimum. Luftstrømmen strømmer rettlinjet og går direkte gjennom de indre lukkede rommene mellom varmeveksleren (H-01) og (H-02) og MCM-modulen (X-01), mens bæregass-strømmen går inn og ut av de åpne sidelukene i (H-01), (X-01) og (H-02). For å sikre at trykket bygger seg opp inne i reaktoren bør man la bæregassen fylle tomrommet i reaktoren. Dette vil sikre at bare de ytre reaktorhylsterne må utformes for å motstå det totale trykket i prosessen.

En annen fordel vil være å ha en lav trykkforskjell (<5 bar) mellom luftsiden og bæregassiden, fortrinnsvis med noe høyere trykk på bæregassiden. Dette vil sikre,

i tilfelle av lekkasje mellom luftstrømmen og bæregasstrømmen, at lekkasje etningen vil være fra bæregassiden (C02og H20) til luftsiden. Dette vil være mindre skadelig enn om luften lekker inn i forbrenningsløyfen (bæregassen), spesielt fra et miljøstandpunkt. Hvis det lekker nitrogen (luft) inn i forbrenningen (bæregassløyfen) kan det føre til produksjon av NOx-gass.

Dessuten vil en mindre trykkforskjell mellom luft- og bæregassiden gjøre det mulig å konstruere anordningen med tynnere vegger i monolittene, noe som gir bedre varmetransport og oksygentransport (bare X-01). Dette vil også føre til lavere vekt.

Tabell 1 nedenfor gir eksempler på data for prosesstrømmene med ta.lt-betegnelser i samsvar med Figur 9.1. Egenskaper for luftstrømmen ved inntak: 20 bar, 450 °C og 79 kg/s. Oksygentransporten gjennom membranen er 6,12 kg/s (det installerte membranarealet samsvarer med dette). Det tilsettes brensel i mengder som er tilpasset støkiometrien i forbrenningsreaksjonen.

Claims (15)

1. En anordning for forbrenning av et karbonholdig brensel i en nitrogenfri atmosfære, karakterisert vedat nevnte anordning omfatter et hult skall (RT) med et innløp for befordring av nevnte brensel (NG-010), et innløp for befordring av en komprimert oksygenholdig gasstrøm (AN-030), et utløp for uttak av en oksygenfattig gasstrøm (AL-020) og et utløp for utslipp av en avtappingsstrøm (EG-040); og nevnte skall omslutter en eller flere varmevekslermoduler (H-01, H-02) arrangert for å varme opp den innkommende komprimerte oksygenholdige gasstrømmen; en eller flere blandingsledermembraner (X-01) arrangert for å separere oksygen fra nevnte oksygenholdige gasstrøm, resulterende i en oksygenrik gasstrøm og nevnte oksygenfattige gasstrøm; et første og eventuelt et andre forbrenningskammer (F-01, F-02) for forbrenning av nevnte brensel med et innløp forbundet med nevnte innløp for brensel (NG-010) for å befordre brensel til nevnte kammer, et innløp (EGO-040) forbundet med nevnte varmevekslermodul(er) for å befordre varm, oksygenrik gass (EGO-030) til nevnte kammer og et utløp (EG-010) forbundet med nevnte membranmodul(er) for å befordre avgass (EG-020) fra forbrenningskammeret til membranmodulen; en trykkforsterker (1-01) installert foran det første forbrenningskammeret; midler (11, 21) for tilkobling av nevnte varmevekslermodul(er) og membranmodul(er); midler (7, 23) for å koble nevnte varmevekslermodul(er) og nevnte membranmodul(er) til innløpet for den komprimerte oksygenholdige gasstrømmen og utløpet for den oksygenfattige gasstrømmen samt midler for å befordre en del av nevnte avgasstrøm (EG-020) direkte til nevnte varmevekslermodul(er) og tilbake til nevnte innløp fra forbrenningskammeret.

2. En anordning i henhold til krav 1, karakterisert vedat nevnte varmevekslermodul(er) (H-01, H-02), nevnte membranmodul(er) (X-01), nevnte midler (7, 11, 21, 23), et utløp for nevnte varme oksygenrike gasstrøm (EGO-030), nevnte utløp for den uttatte oksygenfattige gasstrømmen (AL-020), et innløp for nevnte avgass og nevnte innløp for komprimert oksygenholdig gasstrøm (AN-030) er alle installert i en trykkbeholder (reaktor).

3. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert vedat nevnte varmevekslermodul(er) (H-01, H-02), nevnte membranmodul(er) (X-01), nevnte andre forbrenningskammer (F-02), nevnte midler (7, 11, 21, 23), et utløp for nevnte varme oksygenrike gasstrøm (EGO-030), nevnte utløp for uttatt oksygenfattig gasstrøm (AL-020), et innløp for nevnte avgass og nevnte innløp for komprimert oksygenholdig gasstrøm (AN-030) er alle installert i en trykkbeholder.

4. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert vedat nevnte moduler og nevnte andre forbrenningskammer er innbyrdes sammenkoblet vertikalt, den ene over den andre.

5. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert vedat nevnte moduler er innbyrdes sammenkoblet vertikalt, den ene over den andre.

6. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert vedat nevnte membranmodul er installert mellom to varmevekslermoduler.

7. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert vedat nevnte andre forbrenningskammer er installert mellom en av varmeveksler-modulene og en membranmodul.

8. Anordning i henhold til krav 2 og 3, karakterisert vedat nevnte utløp for nevnte varme oksygenrike gasstrøm (EGO-030) er forbundet med innløpet til det første forbrenningskammeret (EGO-040) og nevnte innløp for nevnte avgass er forbundet til utløpet fra det første forbrenningskammeret.

9. En anordning i henhold til krav 1, karakterisert vedat . nevnte trykkforsterker (1-01) er en vifte eller en kompressor.

10. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert vedat nevnte varmevekslermodul(er) (H-01, H-02) og nevnte membranmodul(er) (X-01) innbefatter en monolittisk struktur med mange kanaler.

11. Fremgangsmåte for å betjene en anordning som angitt i kravene 1 til 10,karakterisert vedat nevnte fremgangsmåte innbefatter følgende trinn: en komprimert oksygenholdig gasstrøm mates til en første varmevekslermodul hvor den blir oppvarmet ved hjelp av varme som er generert ved forbrenning av et brensel i et forbrenningskammer; nevnte oppvarmede gasstrøm føres til en blandingsledermembran(er) der det meste av oksygenet blir separert fra nevnte gasstrøm og det oppnås en oksygenfattig gasstrøm; en bæregass mates inn i nevnte membranmodul for å ta opp oksygenet, og den oksygenanrikede bæregassen blir videre matet til en trykkforsterker; den komprimerte bæregasstrømmen føres inn i forbrenningskammeret hvor den blandes med et brensel for forbrenning; og nevnte oksygenfattige gasstrøm blir matet til en annen varmevekslermodul for videre oppvarming før den slippes ut av nevnte anordning.

12. Fremgangsmåte i henhold til krav 11, karakterisert vedat nevnte forbrenningsprodukt (avgassen) anvendes som bæregass.

13. Fremgangsmåte i henhold til krav 11, karakterisert vedat en del av avgassen tas ut som en avtappingsstrøm for å hindre opphoping av masse i anordningen.

14. Bruk av en anordning og en fremgangsmåte i henhold til kravene 1-13 i et anlegg for kraftgenerering.

15. Bruk av en anordning og en fremgangsmåte i henhold til kravene 1-13 i et kjemisk anlegg som utfører en endoterm reaksjon