DE10330859A1 - Operating emission-free gas turbine power plant involves feeding some compressed circulated gas directly to combustion chamber, cooling/humidifying some gas before feeding to combustion chamber - Google Patents
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Abstract
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL TERRITORY
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer Kraftwerksanlage mit einem halb geschlossenen CO2-Prozess, wobei wenigstens ein Kompressor angeordnet ist, von welchem Umlaufgas komprimiert wird, dieses komprimierte Umlaufgas nach Passieren einer Brennkammer einer Gasturbine zugeführt wird, und wobei ein Abhitzekessel angeordnet ist, in welchem die in den entspannten Abgasen enthaltene Restwärme hinter der Gasturbine zur Erzeugung von Dampf und/oder heissem Wasser genutzt wird.The present invention relates to a method and a device for operating a power plant with a semi-closed CO 2 process, wherein at least one compressor is arranged, by which recycle gas is compressed, this compressed recycle gas is fed to a gas turbine after passing through a combustion chamber, and wherein a Waste heat boiler is arranged, in which the residual heat contained in the relaxed exhaust gases behind the gas turbine is used to generate steam and / or hot water.
Im Rahmen der allgemeinen Bestrebungen, Kraftwerke zu entwickeln, welche eine möglichst geringe Umweltbelastung darstellen, gibt es eine Vielzahl von verschiedenen Projekten, deren Ziel die Entwicklung emissionsfreier Gasturbinenkraftwerke mit einem halb geschlossenen CO2/H2O-Kreislauf ist. Der Einsatz emissionsfreier Gasturbinenkraftwerke wird heute insbesondere im Bereich der Oel- und Gasindustrie erwogen, da das separierte Kohlendioxid dort in grossem Umfang verwendet werden kann (Enhanced Oil Recovery, EOR) und zum Teil bereits empfindliche Steuern für emittiertes Kohlendioxid gezahlt werden müssen.As part of the general efforts to develop power plants that represent the lowest possible environmental impact, there are a large number of different projects whose aim is the development of emission-free gas turbine power plants with a semi-closed CO 2 / H 2 O cycle. The use of emission-free gas turbine power plants is currently being considered especially in the oil and gas industry, since the separated carbon dioxide can be used there to a large extent (enhanced oil recovery, EOR) and in some cases sensitive taxes for emitted carbon dioxide have to be paid.
Dabei wird das meist als Brennstoff verwendete Erdgas mit möglichst reinem Sauerstoff verbrannt. Der reine Sauerstoff wird dazu aus einer Luftzerlegungsanlage zur Verfügung gestellt. Alternativ ist es möglich, mit so genannten Membranreaktoren zur Oxidation des Brennstoffs zu arbeiten, wie sie z. B. in der WO 98/55208 und der WO 98/55394 beschrieben sind. Unter diesen Umständen entstehen Verbrennungsgase, die praktisch nur aus Kohlendioxid und Wasser bestehen. Kondensiert man das Wasser aus dem Arbeitsmediuun aus, so erhält man weitgehend reines Kohlendioxid, das durch Kompression verflüssigt und auf unterschiedliche Art und Weise verwendet oder entsorgt werden kann.This is mostly used as fuel used natural gas with as much as possible pure oxygen burned. The pure oxygen is used for this an air separation plant. Alternative is it possible with so-called membrane reactors for the oxidation of the fuel to work as they B. in WO 98/55208 and WO 98/55394 are described. Under these circumstances, combustion gases are generated which practically consist only of carbon dioxide and water. Condensed if you get the water out of the working medium, you get largely pure carbon dioxide that liquefies by compression and on different Way can be used or disposed of.
Zur Nutzung der hohen Temperaturen am Turbinenaustritt wird i.d.R. ein Dampferzeuger vorgesehen, wobei der entstehende Dampf benutzt wird, tun eine Kondensationsturbine anzutreiben (bottoming steam turbine).To use the high temperatures As a rule, at the turbine outlet a steam generator is provided, wherein the steam produced is used to do a condensing turbine to drive (bottoming steam turbine).
Alternativ kann der erzeugte Dampf
in einer Gegendruckturbine vorentspannt werden (topping steam turbine),
um dann vor, in, oder hinter der Brennkammer mit dem Arbeitsmedium
der Gasturbine vermischt zu werden. Der eingespritzte Dampf kann
dann nach Durchströmen
des Abhitzekessels zusammen mit dem durch die Verbrennung entstandenen
Wasser auskondensiert werden. Beide Konzepte werden im Patent
Die
Problematisch an derartigen Kohlendioxid-Zyklen ist unter anderem, dass die für konventionellen Gebrauch (d. h. normale Verbrennung unter Abgabe von Kohlendioxid an die Atmosphäre) ausgelegten Komponenten für die Verwendung in einem halb geschlossenen Kohlendioxid-Zyklus meist nicht optimal ausgelegt sind. Entsprechend kann es vorkommen, dass sich z. B. der bei Verwendung einer bottoming steam turbine oder einer topping steam turbine erwartete erhöhte Wirkungsgrad respektive die zusätzliche Leistung nicht in dem Masse realisieren lässt wie gewünscht, und entsprechend auch mit der Beschaffung derartiger Turbinen verbundene Investitionen nicht gerechtfertigt sind. Der Wirkungsgrad wird zudem dadurch erniedrigt, dass die Wärme, welche bei der Abführung von Kohlendioxid und Wasser aus dem Umlaufstrom aus dem System entfernt wird, nicht nutzbringend eingesetzt werden kann. Überhaupt fällt im Rahmen von derartigen Anlagen vergleichsweise viel Niedrigtemperatur-Wärme an, welche nicht optimal eingesetzt wird.The problem with such carbon dioxide cycles is among other things that for conventional use (i.e. normal combustion under supply from carbon dioxide to the atmosphere) designed components for mostly used in a semi-closed carbon dioxide cycle are not optimally designed. Accordingly, it can happen that z. B. when using a bottoming steam turbine or a topping steam turbine expected increased efficiency or additional Performance can not be realized to the extent required and accordingly investments associated with the procurement of such turbines are not justified. The efficiency is also reduced by that the warmth which at the exhaustion of carbon dioxide and water from the recycle stream removed from the system cannot be used to advantage. Ever falls in In the context of such systems, a comparatively large amount of low-temperature heat which is not used optimally.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION THE INVENTION
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren respektive eine Vorrichtung zum Betrieb einer Kraftwerksanlage mit einem halb-geschlossenen CO2-Prozess zur Verfügung zu stellen, welcher einfach ist und für dessen Realisierung keine hohen Investitionskosten erforderlich sind, dessen Wirkungsgrad aber nach wie vor vertretbar ist. Dabei ist wenigstens ein Kompressor angeordnet, von welchem Umlaufgas komprimiert wird, dieses komprimierte Umlaufgas wird nach Passieren einer Brennkammer einer Gasturbine zugeführt, und stromab der Gasturbine ist ein Abhitzekessel angeordnet, in welchem die in den entspannten Abgasen enthaltene Restwärme zur Erzeugung von Dampf und/oder heissem Wasser genutzt wird.It is therefore an object of the present invention to provide a method or a device for operating a power plant with a semi-closed CO 2 process which is simple and does not require high investment costs for its implementation, but its efficiency is still as before is justifiable. At least one compressor is arranged, by means of which recycle gas is compressed, this compressed recycle gas is fed to a gas turbine after passing through a combustion chamber, and a waste heat boiler is arranged downstream of the gas turbine, in which the residual heat contained in the relaxed exhaust gases is used to generate steam and / or hot water is used.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein erster Teil des komprimierten Umlaufgases direkt der Brennkammer zugeführt wird, und ein zweiter Teil des komprimierten Umlaufgases vor der Einleitung in die Brennkammer in einem Zwischenkühler abgekühlt wird und anschliessend vor Einleitung in die Brennkammer in einem Befeuchtungsturm befeuchtet wird.According to the invention, this object solved, that a first part of the compressed recycle gas goes directly to the combustion chamber is fed and a second part of the compressed recycle gas before introduction is cooled in the combustion chamber in an intercooler and then humidified in a humidification tower prior to introduction into the combustion chamber becomes.
Der Kern der Erfindung besteht somit darin, durch eine möglichst energetisch optimierte Sättigung des Umlaufgases mit Wasser vor dessen Einleitung in die Brennkammer den Massenstrom durch die Gasturbine möglichst zu vergrössern und dadurch die Leistung zu erhöhen. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad ohne grosse konstruktive Änderungen und Zusatzinvestitionen (keine weiteren Dampfturbinen erforderlich) erhöht werden. Die Einstellung eines optimalen Wirkungsgrades wird bei diesem Prozess ausserdem dadurch erhöht, dass, bevorzugt in regelbarer Weise, ein erster Teil des komprimierten Umlaufgases direkt der Brennkammer zugeführt wird, und ein zweiter Teil den genannten Mitteln zur Kühlung respektive zur Befeuchtung zugeführt wird. Die erforderlichen Komponenten (Abhitzekessel, Zwischenkühler, Befeuchtungsturm) sind vergleichsweise kostengünstig und können insbesondere auch ohne grossen Aufwand an die bei Betrieb mit Kohlendioxid/Wasser veränderten Betriebsbedingungen angepasst werden.The essence of the invention is thus in it by one if possible energetically optimized saturation of the recycle gas with water before it is introduced into the combustion chamber to increase the mass flow through the gas turbine as much as possible and thereby increasing performance. In this way, the efficiency can be changed without major design changes and additional investments (no further steam turbines required) elevated become. The setting of an optimal efficiency is with this Process also increased by that, preferably in a controllable manner, a first part of the compressed Recycle gas is fed directly to the combustion chamber, and a second part the cooling means mentioned respectively supplied for humidification becomes. The necessary components (waste heat boiler, intercooler, humidification tower) are comparatively inexpensive and can especially without much effort when operating with carbon dioxide / water changed Operating conditions to be adjusted.
Im Zusammenhang mit den verwendeten Begriffen muss darauf hingewiesen werden, dass unter einem Abhitzekessel grundsätzlich ein Mittel verstanden werden soll, mit welchem die stromab der Gasturbine verfügbare Abwärme genutzt werden kann. Dies kann dabei zum Zweck der Gewinnung von Dampf oder Warmwasser erfolgen, wobei sowohl Dampf als auch Warmwasser entweder im Gasturbinenprozess selber Wiederverwendung finden können oder aber auch in einem separaten Verwendungszweck (zum Beispiel Prozesswärme für chemische Anlage). Unter einem Zwischenkühler ist grundsätzlich ein Mittel zu verstehen, welches dazu verwendet werden kann, die Temperatur des Umlaufgases zu reduzieren. Als Befeuchtungsturm ist ein Mittel zu verstehen, welches in der Lage ist, die Umlaufgase durch Verdunstung mit Wasser respektive Dampf zu befeuchten. Es können dabei unterschiedliche Bauweisen wie z. B. Füllkörperkolonnen verwendet werden, welche aus einem Turm bestehen, in welchem Füllkörper angeordnet sind, und in welchen im Gegenstromprinzip Wasser von oben nach unten rieselt und die Umlaufgase von unten nach oben geführt werden. Typischerweise wird das Umlaufgas im Befeuchtungsturm auf eine relative Feuchtigkeit von im Bereich von 10 bis 20 Massen% gebracht. Die Befeuchtung kann auch zwei- oder mehrstufig erfolgen, z.B. in nacheinandergeschalteten Befeuchtungstürmen.In connection with the terms used It must be pointed out that under a waste heat boiler there is always a Means to be understood with which the downstream of the gas turbine available waste heat can be used. This can be done for the purpose of extracting Steam or hot water take place, both steam and hot water can either be reused in the gas turbine process itself or but also in a separate use (for example process heat for chemical Investment). Under an intercooler is fundamental to understand a means that can be used to Reduce circulating gas temperature. As a humidification tower to understand a means that is capable of circulating gases moistened by evaporation with water or steam. It can different designs such. B. packed columns are used which consist of a tower in which packing elements are arranged, and in which water flows from top to bottom in the counterflow principle and the circulating gases are led from bottom to top. typically, the circulating gas in the humidification tower to a relative humidity brought in the range of 10 to 20 mass%. The humidification can also take place in two or more stages, e.g. in sequential Befeuchtungstürmen.
Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die beiden Teilströme (direkt zur Brennkammer respektive indirekt, d. h. über Zwischenkühler und Befeuchtungsturm) relativ zueinander in geregelter Weise gefahren. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, den zweiten, über Zwischenkühler und Befeuchtungsturm der Brennkammer zugeführten Teil des komprimierten Umlaufgases weniger als 50%, bevorzugt weniger als 40% und insbesondere bevorzugt im Bereich von 20 bis 30% des gesamten komprimierten Umlaufgases stromab des Kompressors ausmachen zu lassen.According to a first preferred embodiment of the invention, the two partial flows (directly to the combustion chamber or indirectly, d. H. about intercooler and humidification tower) driven relative to each other in a controlled manner. It proves to be advantageous to use the second, via intercooler and Part of the compressed humidification tower supplied to the combustion chamber Recycle gas less than 50%, preferably less than 40% and in particular preferably in the range from 20 to 30% of the total compressed recycle gas to be located downstream of the compressor.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die im Zwischenkühler anfallende Abwärme für die Befeuchtung im Befeuchtungsturm verwendet wird. So kann die für die Befeuchtung erforderliche Enthalpie in effizienter Weise aus dem Zwischenkühler bezogen werden. Insbesondere bevorzugt wird dabei im Zwischenkühler Prozesswasser respektive Prozessdampf erwärmt, und dieses heisse Prozesswasser im Befeuchtungsturm zur Befeuchtung verwendet. Dabei kann dieses Prozesswasser respektive dieser Prozessdampf insbesondere bevorzugt bei Einleitung in den Befeuchtungsturm eine Temperatur von im Bereich von 150 bis 250 Grad Celsius aufweisen bei einem Druck, welcher im wesentlichen dem Eintrittsdruck der Gasturbine entspricht, d.h. z.B. von im Bereich von 10 bis 35 bar. Als im Zwischenkühler verwendetes Prozesswasser kann aus dem Umlaufgas auskondensiertes Wasser und/oder vorgewärmtes Prozesswasser aus einer Luftzerlegungsanlage, und/oder vorgewärmtes Prozesswasser aus einer Einheit zur Entfernung von Kohlendioxid und/oder Wasser, und/oder vorgewärmtes Prozesswasser, welches wenigstens mittelbar bei einem Kondensator für die Umlaufgase anfällt, und/oder Restwasser aus dem Zwischenkühler, verwendet werden. Die Verwendung von bereits im Zyklus zur Verfügung stehendem Wasser weist den gossen Vorteil auf, dass so automatisch Wasser verwendet wird, welches den in Bezug auf einen Langzeitbetrieb erforderlichen Reinheitsgrad aufweist. Ansonsten ist es nämlich bei der Einspritzung von Wasser meist erforderlich, dieses entweder mit Zusätzen zu versehen um Ablagerungen zu verhindern, oder aber deionisiertes Wasser zu verwenden. Dies ist mit erheblichen Kosten verbunden und kann so vermieden werden.Another preferred embodiment of the The present invention is characterized in that the resulting in the intercooler waste heat for the Humidification is used in the humidification tower. So can be used for humidification required enthalpy efficiently obtained from the intercooler become. Process water in the intercooler is particularly preferred, respectively Process steam heated, and this hot process water in the humidification tower for humidification used. This process water or process steam can particularly preferred when introduced into the humidification tower Have temperature in the range of 150 to 250 degrees Celsius at a pressure which is essentially the inlet pressure of the Corresponds to gas turbine, i.e. e.g. from in the range of 10 to 35 bar. As in the intercooler Process water used can condense out of the circulating gas Water and / or preheated Process water from an air separation plant, and / or preheated process water from a unit for removing carbon dioxide and / or water, and / or preheated Process water, which is at least indirectly with a condenser for the Recycle gases and / or residual water from the intercooler can be used. The Use of water already available in the cycle shows the great advantage that water is used automatically, which is the degree of purity required for long-term operation having. Otherwise it is when injecting water mostly required this either with additives too provided to prevent deposits, or deionized To use water. This is associated with considerable costs can be avoided in this way.
Eine weitere Erhöhung der Flexibilität der Fahrweise kann gem. einer anderen bevorzugten Ausführungsform dadurch erreicht werden, dass zusätzlich im Abhitzekessel erzeugter Dampf vor oder in die Brennkammer eingebracht wird, wobei bevorzugt dieser Dampf im Abhitzekessel stufenweise zunächst in einem Economizer, dann in einem Verdampfer unter Zuhilfenahme einer Dampftrommel und dann in einem Überhitzer erzeugt wird. Die Einspritzung von Dampf erhöht auf der einen Seite den Massenstrom in der Gasturbine und reduziert auf der anderen Seite die Temperatur in der Brennkammer. Beides hat zur Folge, dass die verfügbare Leistung an der Gasturbine erhöht werden kann. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, den zusätzlich in die Brennkammer eingespritzten Dampfstrom weniger als 20 Massen% resp. 30 Vol% der gesamten komprimierten, der Brennkammer zugeführten Gasströme ausmachen zu lassen, wobei der Dampfstrom insbesondere bevorzugt im Bereich von 10 bis 30 Massen% resp. 20 bis 40 Vol% dieser Gasströme ausmacht.A further increase in the flexibility of the driving style can acc. another preferred embodiment thereby achieved be that in addition Steam generated in the waste heat boiler is introduced before or into the combustion chamber is, preferably this steam in the waste heat boiler gradually first in an economizer, then in an evaporator with the help a steam drum and then generated in a superheater. The Injection of steam increased on the one hand the mass flow in the gas turbine and reduced on the other hand, the temperature in the combustion chamber. Both has the consequence that the available Performance on the gas turbine increased can be. It proves to be advantageous to additionally in the combustion chamber injected steam flow less than 20 mass% respectively. 30 vol% of the total compressed gas flows to the combustion chamber to let, the steam flow being particularly preferred in the range from 10 to 30 mass% respectively. Accounts for 20 to 40 vol% of these gas flows.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Befeuchtung des Umlaufgases im Befeuchtungsturm Wasser und/oder Dampf verwendet, welcher im Abhitzekessel vorgewärmt wurde, wobei diese Vorwärmung bevorzugt stufenweise zunächst in einem Economizer und dann einem Verdampfer erfolgt, und wobei dieses Wasser respektive dieser Dampf insbesondere bevorzugt bei Einleitung in den Befeuchtungsturm eine Temperatur von im Bereich von 150 bis 250 Grad Celsius aufweisen bei einem Druck, welcher im wesentlichen dem Eintrittsdruck der Gasturbine entspricht, d.h. z.B. von im Bereich von 10 bis 35 bar. In dieser Ausführungsform wird also die im Abhitzekessel anfallende Wärme dazu genutzt, die für die Befeuchtung erforderliche Enthalpie bereitzustellen. Insbesondere in Kombination mit Prozesswasser, welches bereits im Zwischenkühler erwärmt wurde, kann so ein sehr effizienter Prozess mit hohem Wirkungsgrad sichergestellt werden. Auch hier, wie bereits weiter oben erwähnt, erweist es sich in Bezug auf Ablagerungen als vorteilhaft, im wesentlichen ausschliesslich aus dem Umlaufgas auskondensiertes Wasser für die Befeuchtung im Befeuchtungsturm respektive für die Dampfeinspritzung in die Brennkammer zu verwenden.According to another preferred embodiment The invention is used to humidify the circulating gas in the humidification tower Water and / or steam used, which has been preheated in the waste heat boiler, taking this preheating preferably in stages at first done in an economizer and then an evaporator, and being this water or steam is particularly preferred when discharged in the humidification tower a temperature in the range of 150 to Have 250 degrees Celsius at a pressure that is essentially corresponds to the inlet pressure of the gas turbine, i.e. e.g. from in the area from 10 to 35 bar. In this embodiment, the im Heat from the waste heat boiler used for to provide the humidification required enthalpy. In particular in combination with process water that has already been heated in the intercooler, can ensure a very efficient process with high efficiency become. Here too, as already mentioned above, it proves to be the case on deposits as advantageous, essentially exclusively Water condensed from the recycle gas for humidification in the humidification tower respectively for to use steam injection in the combustion chamber.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das befeuchtete Umlaufgas stromab des Befeuchtungsturms im Abhitzekessel, bevorzugt in einer Überhitzerstufe, vor Einleitung in die Brennkammer weiter erhitzt wird, wobei das Umlaufgas nach der Überhitzung insbesondere bevorzugt eine Temperatur von im Bereich von 500 bis 650 Grad Celsius aufweisen bei einem Druck, welcher im wesentlichen dem Eintrittsdruck der Gasturbine entspricht, d.h. z.B. von im Bereich von 10 bis 35 bar. Dieses "Reheating" in einer Überhitzerstufe kann dazu verwendet werden, den Wirkungsgrad weiter zu verbessern. Dabei kann wiederum die Flexibilität der Anlage dadurch erhöht werden, dass der Umlaufgas-Strom, welcher stromab des Befeuchtungsturms zur Verfügung steht, in regelbarer Weise in zwei Teilströme aufgeteilt wird, wobei der eine direkt der Brennkammer zugeführt wird, und der andere über die genannte Überhitzerstufe im Abhitzekessel weiter erhitzt und erst dann der Brennkammer zugeführt wird. Insbesondere in Kombination mit der regelbaren direkten Zuführung von Umlaufgas unmittelbar hinter dem Kompressor in die Brennkammer und mit der ebenfalls einstellbaren zusätzlichen Einspritzung von Dampf aus dem Abhitzekessel in die Brennkammer lässt sich so der Prozess optimal einstellen, dies insbesondere in Bezug auf den Wirkungsgrad auch bei Komponenten, welche für konventionellen Betrieb ausgelegt sind.Another preferred embodiment is characterized in that the humidified circulating gas downstream the humidification tower in the waste heat boiler, preferably in a superheater stage, is further heated before being introduced into the combustion chamber, the Recycle gas after overheating particularly preferably a temperature in the range from 500 to Have 650 degrees Celsius at a pressure that is essentially corresponds to the inlet pressure of the gas turbine, i.e. e.g. from in the area from 10 to 35 bar. This "reheating" in a superheater stage can be used for this to further improve efficiency. Here again the flexibility the system thereby increased that the circulating gas flow, which is downstream of the humidification tower to disposal is divided in a controllable manner into two partial streams, the one is fed directly to the combustion chamber, and the other via the called superheater level heated further in the waste heat boiler and only then fed to the combustion chamber. Especially in combination with the adjustable direct feeding of Circulating gas immediately behind the compressor in the combustion chamber and with the additional adjustable injection of steam The process can be optimally carried out from the waste heat boiler into the combustion chamber adjust, especially with regard to efficiency for components that are for conventional operation are designed.
Gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird stromab des Zwischenkühlers und vor dem Befeuchtungsturm ein Teilstrom der komprimierten Umlaufgase abgezweigt und einer Einheit zugeführt, in welcher Kohlendioxid und/oder Wasser aus dem Umlaufgas entfernt werden. Dadurch, dass diese Abzweigung hinter dem Zwischenkühler erfolgt, kann die durch die Abzweigung in die Einheit zur Separation von Kohlendioxid und Wasser verloren gehende Wärme stark reduziert werden. Dabei macht bevorzugt dieser Teilstrom weniger als 20 Massen%, insbesondere bevorzugt weniger als 15 Massen% des gesamten Umlaufstroms aus.According to another embodiment The invention is downstream of the intercooler and before the humidification tower a partial flow of the compressed circulating gases is branched off and one Unit fed, in which carbon dioxide and / or water is removed from the recycle gas become. The fact that this branch takes place behind the intercooler by branching off into the carbon dioxide separation unit and water lost heat be greatly reduced. This partial stream preferably makes less than 20% by mass, particularly preferably less than 15% by mass of the total circulating current.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduktion der Kompressionsarbeit ausserdem das Umlaufgas in einem Intercooler oder durch Wassereinspritzung abgekühlt wird, wobei insbesondere bevorzugt bei Verwendung eines Intercoolers die dabei anfallende Abwärme wenigstens mittelbar zur Befeuchtung im Befeuchtungsturm eingesetzt wird.Another preferred embodiment is characterized in that to reduce the compression work also the recycle gas in an intercooler or by water injection chilled is, with particular preference when using an intercooler the resulting waste heat used at least indirectly for humidification in the humidification tower becomes.
Grundsätzlich kommen für die Bereitstellung von reinem Sauerstoff unterschiedliche Verfahren in Frage. Normalerweise wird der in der Brennkammer verwendete Sauerstoff in einer separaten Luftzerlegungsanlage bereitgestellt. Das kann sich sich bei der Luftzerlegungsanlage um eine kryogene, eine absorptive oder eine Membranbasierte Luftzerlegungsanlage handeln. Alternativ kann aber auch der in der Brennkammer verwendete Sauerstoff in einem integrierten Membranmodul zur Verfügung gestellt werden.Basically come for the provision of pure oxygen different processes in question. Usually the oxygen used in the combustion chamber is separated Air separation plant provided. That can change with the Air separation plant around a cryogenic, an absorptive or a Act membrane-based air separation plant. Alternatively, however the oxygen used in the combustion chamber is also integrated Membrane module available be put.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.Further preferred embodiments of the invention Procedures are in the dependent claims described.
Ausserdem betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens, wie es oben beschrieben wurde. Dabei umfasst die Vorrichtung einen halbgeschlossenen CO2-Prozess, wobei wenigstens ein Kompressor angeordnet ist, von welchem Umlaufgas komprimiert wird, dieses komprimierte Umlaufgas nach Passieren einer Brennkammer einer Gasturbine zugeführt wird, und wobei ein Abhitzekessel angeordnet ist, in welchem die in den entspannten Abgasen enthaltene Restwärme hinter der Gasturbine zur Erzeugung von Dampf und/oder heissem Wasser genutzt wird. Insbesondere sind Mittel angeordnet, über welche ein erster Teil des komprimierten Umlaufgases direkt der Brennkammer zugeführt werden, und ein Zwischenkühler angeordnet, in welchem ein zweiter Teil des komprimierten Umlaufgases vor der Einleitung in die Brennkammer abgekühlt wird und ausserdem ein Befeuchtungsturm angeordnet ist, in welchem das abgekühlte komprimierte Umlaufgas vor Einleitung in die Brennkammer befeuchtet wird.In addition, the present invention relates to an apparatus for performing a method as described above. The device comprises a semi-closed CO 2 process, at least one compressor being arranged, by means of which recycle gas is compressed, this compressed recycle gas is fed to a gas turbine after passing through a combustion chamber, and a waste heat boiler is arranged, in which the exhaust gases in the expanded gases are released Residual heat contained behind the gas turbine is used to generate steam and / or hot water. In particular, means are arranged via which a first part of the compressed recycle gas is fed directly to the combustion chamber, and an intercooler is arranged in which a second part of the compressed recycle gas is cooled before being introduced into the combustion chamber and a humidification tower is also arranged in which the cooled compressed recycle gas is humidified before introduction into the combustion chamber.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.Further preferred embodiments the inventive Device are in the dependent claims described.
KURZE ERLÄUTERUNG DER ERFINDUNGSHORT EXPLANATION THE INVENTION
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:The invention is based on Embodiments are explained in connection with the figures. Show it:
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS TO EXECUTE THE INVENTION
Die heissen Abgase der Gasturbine
Der im Abhitzekessel
Ein Teil
Bei der in
Nachteilig ist bei einem derartigen
Aufbau unter anderem auch die Tatsache, dass vergleichsweise viel
Abwärme
durch die Abzweigung eines Teilstroms
Die genannten Probleme lassen sich
durch ein für
konventionelle offene Gasturbinenanlagen auch unter dem Namen Humid
Air Turbine bekanntes Vorgehen vermeiden. Ein Ausführungsbeispiel
eines derartigen Verfahrens ist in
Der Gasstrom
Stromab des Zwischenkühlers
Im Befeuchtungsturm
Überschüssiges Wasser
aus dem Befeuchtungsturm
Stromab des Befeuchtungsturms
Ebenfalls der Brennkammer
Die heissen Verbrennungsgase
Im Vergleich zu Fahrweise nach dem
Stand der Technik weist der vorgeschlagene Prozess den grossen Vorteil
auf, dass der Umlaufgas-Strom vor der Abzweigung
Grundsätzlich erlaubt das Verfahren eine im Vergleich zur Verwendung von einer bottoming oder einer topping steam turbine wesentlich billigere Lösung bei vergleichbarem Wirkungsgrad (ein Abhitzekessel und ein Befeuchtungsturm sind vergleichsweise billige Komponenten und ausserdem wenig empfindlich). Ausserdem weist das vorgeschlagene Verfahren den Vorteil auf, im Vergleich zur Verwendung von weiteren Dampfturbinen leichter einstellbar zu sein, d. h. der optimale Wirkungsgrad lässt sich auch unter den veränderten Bedingungen eines halb geschlossenen Kohlendioxid/Wasser-Kreislaufs noch gut einstellen.Basically, the procedure allows one versus using a bottoming or one topping steam turbine much cheaper solution with comparable efficiency (A waste heat boiler and a humidification tower are comparative cheap components and also not very sensitive). Furthermore the proposed method has the advantage in comparison to be easier to adjust for the use of further steam turbines, d. H. the optimal efficiency can also be changed among the Conditions of a semi-closed carbon dioxide / water cycle still adjust well.
Alternativ kann zu einer weiteren
Erhöhung des
Wirkungsgrad gegebenenfalls stromab des Überhitzers in der Leitung
Eine weiter erhöhte Flexibilität eines
derartigen Prozess kann dadurch erreicht werden, dass neue Pfade
für das
komprimierte Umlaufgas zur Verfügung
gestellt werden, und dass insbesondere die unterschiedlichen Pfade
in regelbarer Weise ausgestaltet sind. Dies ist für ein weiteres
Ausführungsbeispiel
in
Ein weiterer Unterschied zum Prozess
gemäss
Auch hier ist es möglich, um
die Effizienz zusätzlich
zu erhöhen,
in der Leitung
Wesentlich im Zusammenhang mit dem
Verfahren gemäss
Folgende konkrete Werte können als
Beispiel für
die Wasser- und Dampfströme,
bezogen auf einen konstanten Kompressor-Massenstrom, angegeben werden:
Dampfstrom
im Überhitzer
Massenstrom
(
Massenstrom
Massenstrom
Massenstrom
Steam flow in the superheater
Mass flow (
mass flow
mass flow
mass flow
Dieser Prozess liefertThis process delivers
-
– 5–10% mehr
Leistung als ein Prozess nach dem Schema gemäss
2 bei ca. 1% besserem Wirkungsgrad,- 5–10% more power than a process according to the scheme2 at approx. 1% better efficiency, -
– 35–70% mehr
Leistung als ein Prozess nach dem Schema gemäss
1 bei ca. 2,5–3,5 schlechterem Wirkungsgrad und- 35–70% more performance than a process according to the scheme1 at approx. 2.5–3.5 lower efficiency and -
– 20–55% mehr
Leistung als ein Prozess nach dem Schema gemäss
3 bei ca. 1,5–2,5% schlechterem Wirkungsgrad.- 20–55% more power than a process according to the scheme3 at approx. 1.5–2.5% poorer efficiency.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht
auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt. Als
Option ist es möglich,
den Kühler
- 11
- Verdichtercompressor
- 22
- Brennkammercombustion chamber
- 33
- Turbineturbine
- 44
- Abhitzekesselwaste heat boiler
- 55
- Kühler, KondensatorCooler, condenser
- 66
- Kompressorcompressor
- 7a,b7a, b
- Kühlercooler
- 88th
- Generatorgenerator
- 99
- LuftzerlegungsanlageAir separation plant
- 1010
- KondensationsdampfturbineCondensing steam turbine
- 1111
- Generatorgenerator
- 1212
- Kühlercooler
- 2020
- Brennstoffzufuhrfuel supply
- 2121
- Sauerstoffzufuhroxygen supply
- 2222
- Wellewave
- 2323
- Leitung zum Abhitzekesselmanagement to the waste heat boiler
- 2424
- SpeisewasserbehälterFeedwater tank
- 2525
- Pumpepump
- 2626
- Economizereconomizer
- 2727
- Dampftrommelsteam drum
- 2828
- VerdampferEvaporator
- 2929
- Überhitzer (Rekuperator)superheater (Recuperator)
- 3030
- Kondensatorcapacitor
- 3131
- Wassererhitzerwater heater
- 3232
- Abführleitung für Kohlendioxiddischarge for carbon dioxide
- 3333
- Abführleitung für Wasserdischarge for water
- 3434
- FrischluftzufuhrFresh air
- 3535
- GegendruckdampfturbineBackpressure steam turbine
- 3636
- Dampfeinspritzung vor Brennkammersteam injection in front of the combustion chamber
- 3737
- Rückführung zum KompressorReturn to compressor
- 3838
- heisse Verbrennungsgasename is combustion gases
- 3939
- entspannte heisse Verbrennungsgaserelaxed hot combustion gases
- 4040
- gesättigter Gasstromsaturated gas flow
- 4141
- Wasserwater
- 4242
- Wärmetauscherheat exchangers
- 4343
- komprimierte Gase (abgeführter Anteil)compressed Gases (discharged Proportion of)
- 4444
- komprimierte Gase (zu befeuchtender Anteil)compressed Gases (portion to be humidified)
- 4545
- Restwasserresidual water
- 4646
- Befeuchtungsturmhumidifying
- 4747
- Zwischenkühlerintercooler
- 4848
- komprimiertes Umlaufgascompressed recycle gas
- 48a48a
- komprimiertes Umlaufgas, indirekter Teilstromcompressed Recycle gas, indirect partial flow
- 4949
- abgezweigter Teilstrom des Umlaufgases für Separationdiverted Partial flow of the recycle gas for separation
- 5050
- direkter Teilstromdirect partial flow
- 5151
- gesättigter Gasstrom ohne Überhitzungsaturated Gas flow without overheating
- 5252
- gesättigter Gasstrom mit Überhitzungsaturated Gas flow with overheating
- 5353
- zusätzlicher Dampfpfad (Einspritzung vor, in oder hinter Brennkammer)additional Steam path (injection before, in or behind the combustion chamber)
Claims (13)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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CH1336/02 | 2002-07-30 |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
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|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |