AT519137A1

AT519137A1 - Verfahren zur Zurückhaltung von Kohlendioxid und Wasser aus erneuerbarem Synthesegas unter

Info

Publication number: AT519137A1
Application number: ATA445/2016A
Authority: AT
Inventors: Gruber-Schmidt Johann
Original assignee: Gs Gruber Schmidt
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2018-04-15

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst Luft (1) die angesaugt wird, mit dem Schraubenverdichter (2) auf den Vordruck gebracht wird, um in der nachfolgenden Gastrennungsanlage ( PSA) (4) in den Anteil an Sauerstoff (6) und Stickstoff (5) aufgetrennt zu werden. Der so gewonnene Sauerstoff (6) wird mit dem Regelventil (37) im Volumensterm ausgeregelt und der Mischkammer (7) zugeführt. ln der Mischkammer werden der Sauerstoff(6) mit Kohlendioxid(C02) (8) gemischt , und das Gasgemisch (9) für den weiteren Einsatz in einen Volumenstrom (9) und in einen Volumenstrom (11) aufgeteilt. Das Gasgemisch (11) wird über das Regelventil (35) in die Brennkammer (13) eingedüst Das Syngas(12) wird ebenfalls in die Brennkammer eingedüst Um den Volumenstrom ausregeln zu können wird ein Anteil an Kohlendioxid (15) über das Regelventil (34) in der Brennkammer (13) eingedüst Der Abgasvolumenstrom(14) aus der Brennkammer(13) wird über den Wärmetauscher (21) abgekühlt und das abgekühlte Abgas (20) dem Kondensator(19) zugeführt. ln dem Kondensator wird der Wasser dampf zu Wasser kondensiert und im Tank (19) gelagert und abgeleitet (27). Das verbleibende gasförmige Kohlendioxid(17) wird über den Verdichter (16) in den Volumenstrom (15) der zur Brennkammer geleitet wird und in einen Volumenstrom (61) der zum zweiten Verdichter(33) geführt wird. Das verdichtete Kohlendioxid wird im Kondensator (30) kondensiert und im Tank (31) gespeichert und aus dem Tank abgeleitet(32). Die Kühlung des Kondensators (19) und des Kondensators(30) erfolgt über einen geschlossenen Wasser-Kreislauf bestehend aus einer Pumpe(27) einem Rückkühler (26) und dem kalten Vorlauf(25,29) und dem warmen Rücklauf(28,24). Der Wärmetauscher (21) ist als Verdampfer für das einlaufende flüssige Arbeitsfluid (22) und dem dampfförmigen(23) überhitzten Arbeitsfluid (23) in eine Entspannungsmaschine(45) mit Generator(46) entspannt. Der Abdampf wird einem Recuperator (49) zugeführt. Der Abdampf wird über den Abwärmetauscher(50) abgekühlt (55) und dem Kondensator(54) mit dem Kühlwasser(58) wird das Kondensat(55) im Tank(56) und das flüssige Arbeitsfluid(57) über die Pumpe(59) auf den Verdampfungsdruck gebracht.

Description

Verfahren zur Zurückhaltung von Kohlendioxid und Wasser aus erneuerbarem Synthesegas unter Gewinnung von Strom und Wärme

Die Erfindung umfasst das Verfahren zur Zurückhaltung von Kohlendioxid(C02) und Wasser(H20) aus Synthesegas unter Gewinnung von Strom und Wärme bestehend aus Luft (1) die angesaugt wird, mit einem Verdichter (2) auf Druck gebracht wird, um in der nachfolgenden Gastrennungsanlage (4) in den Anteil an Sauerstoff (6) und Stickstoff (5) aufgetrennt zu werden. Der so gewonnene Sauerstoff (6) wird der Mischkammer (7) zugeführt und mit Kohlendioxid(C02) (8) gemischt, und das Gasgemisch (9) in einen Volumenstrom (9) für die Brennkammer(14) und in einen Volumenstrom (11) für externe Verwendung(12) aufgeteilt. Das Syngas(12) wird in der Brennkammer(13) verbrannt. Um den Abgasdampf(14) Volumenstrom, die Temperatur und den Druck ausregeln zu können wird ein Anteil an Kohlendioxid (15) in die Brennkammer (13) eingedüst. Der Abgasvolumenstrom(14) wird über den Wärmetauscher (21) abgekühlt und der abgekühlte Abgasdampf (20) dem Kondensator(19) zugeführt. In dem Kondensator wird der Wasser dampf zu Wasser kondensiert und im Tank (18) gespeichert. Das verbleibende gasförmige Kohlendioxid(17) wird über den Verdichter (16) in den Volumenstrom (15), der zur Brennkammer(13) geleitet wird, und in einen Volumenstrom (65), der zum zweiten Verdichter(33) geführt wird, im Kondensator (30) kondensiert und im Tank (31) gespeichert. Die Kühlung des Kondensators (19) und des Kondensators(30) erfolgt über einen geschlossenen Wasser-Kreislauf bestehend aus einer Pumpe(27) einem Rückkühler (26) und dem kalten Vorlauf(25,29) und dem warmen Rücklauf(28,24). Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst in Verbindung mit der Brennkammer(13) einen Verstromungskreislauf umfassend einen Wärmetauscher (21) ist als Verdampfer für das einlaufende flüssige Arbeitsfluid (22) und dem dampfförmigen(23) überhitzten Arbeitsfluid (23) in eine Entspannungsmaschine(45) mit Generator(46) entspannt. Der Abdampf wird einem Recuperator (49) zugeführt. Der Abdampf wird über den Abwärmetauscher(50) abgekühlt (55) und dem Kondensator(54) mit dem Kühlwasser(58) wird das Kondensat(55) im Tank(56) und das flüssige Arbeitsfluid(57) über die Pumpe(59) auf den Verdampfungsdruck gebracht

Die Erfindung umfasst zudem die Vorrichtung zur Regelung des Abgasdampfvolumenstromes(70), des Abgasdruck( 71), der Abgastemperatur(72), das Regelgerät(44), die Messgeber(39,40,41, 67,68,69) des Syngases(12) , die Messgeber (42,43,70,71,72) im Abfgasdampfstrom, Messgeber(82,83,84) des recyclten Kohlendioxides(15), Messgeber(79,80,81) des Sauerstoffes(6),Messgeber(73,74,75) des Gasgemisches(11), und Messgeber(76,77,78) des Kohlendioxides(8) für die Mischkammer(7), sowie die Wärmetauscher( 60,63,64) zur Wärmerückgewinnung in der Brennkammer(13) und zuer Steigerung des Wirkungsgrades und Ausnutzungsgrades.

Unter erneuerbarer Energie versteht man Energieformen, wie solare Energie, Wasserkraft, Windenergie und Bioenergie. Bei dieser Erfindung wird auf Bioenergie und dem damit möglichen thermochemischen Umwandlung beschränkt. Damit reduzieren sich die Typen der biogenen Stoffe auf jene Stoffe, die einen Wasseranteil von maximal 35% aufweisen, der trockene Masseanteil also zumindest bei 65% liegt. Unter biogene Stoffe versteht man dann, das bekannte Holz, Waldholzreste, Schlagrücklass, gebrauchtes Holz, Kerne, Schale, Gräser, Fasern, Strauchgut, Trester, Spelzen, Kolben. Als thermochemische Verfahren versteht man das bekannte Vergasungsverfahren und Pyrolyseverfahren.

Das Ergebnis der thermochemischen Umwandlung ist ein Synthesegas, das im Wesentlichen aus Kohlenmonoxid(CO), Wasserstoff(H2) und Kohlendioxid(C02) besteht. Die üblichen Zusammensetzungen von Synthesegasen aus Pyrolyseprozessen weisen auf: 35% CO, 35% H2, 20%CO2, 2% CH4, 3% höhere Kohlenwasserstoffe (CxHy), 5%Methanol (CH3OH). Da fast kein N2 enthalten ist, weist es darauf hin, dass ein Dampfvergasung oder Hochtemperaturpyrolyse als thermochemisches Verfahren verwendet worden ist. Wird das bekannte Vergasungsverfahren mit Oxidationsmittel Luft verwendet, dann ist statt Methanol(CH3OH) Stickstoff enthalten, was folgende repräsentative Zusammensetzung gibt: 20% CO, 20% H2, 15%C02, 2% CH4, 3% höhere Kohlenwasserstoffe (CxHy), Rest Stickstoff (N2):

Will man Kohlendioxid(C02) und Wasser(H20) als Abgasprodukte aus der thermochemischen Umwandlung bei Brennkammern(13) oder Blockheizkraftwerken setzten bestimmte Anforderungen an die Gaszusammensetzung von Synthesegas voraus. Um eine Umwandlung zu Kohlendioxid(C02) und Wasser(H20) zu erhalten, sind folgende Gasanteile im Synthesegas anzustreben: Kohlenmonoxid(CO), Wasserstoff(H2), Methanol(CH3OH), Methan(CH4), die dann mit Sauerstoff (02) zu Kohlendioxid(C02) und Wasser(H20) oxidert werden können. Damit erkennt man, dass Luft als Gasgemisch aus Stickstoff(N2) und Sauerstoff(02) aufgetrennt werden muss, in den Volumenstrom Sauerstoff(02) und den Volumenstrom Stickstoff(N2), um den Stickstoffanteil(5) abtrennen zu können. Das ist bei heutigen dem Stand der Technik entsprechenden verwendeten Brennkammern(13) nicht der Fall.

Strom und Wärme in erneuerbarer Energie bezeichnet man auch als ( KWK ) Kraft Wärme Kopplung. Das ist nach dem Stand der Technik jenes Verfahren, das den höchsten thermischen Wirkungsgard ermöglicht. Der elektrische Wirkungsgrad bei Blockheizkraftwerken liegt im Bereich von 32% bis 40% je nach Gasqualität und Heizwert. Der thermische Wirkungsgrad liegt bei Blockheizkraftwerken bei 40% bis 45% und setzt sich bekannterweise aus zwei Anteilen zusammen: Abwärme aus dem Motorölkreislauf und der Abwärme aus dem Abgas. Dem Blockheizkraftwerk gegenüber stehen Gasturbinen, in der Regel ausgeführt als Einwellenanlagen, die einen elektrischen Wirkungsgrad von 25% bis 30% aufweisen und einen thermischen Wirkungsgrad von 40% bis 50%. Die Abwärme ist homogen im Abgasmassenstrom enthalten. Wenn kein Treibgas vorhanden ist, das oxidiert werden kann, sondern Abwärme, in Form von gasförmigen oder flüssigen Wärmeträgern, dann gibt es bekannterweise Verstromungsanlagen auf der Basis des bekannten Rankineprozesses, die einen elektrischen Wirkungsgrad von 11% bis 15% aufweisen, einen nutzbaren thermischen Anteil( mit hohem Anteil an Exergie) von 10% bis 20%, der Rest ist Abwärme mit einem sehr hohen Mass an Anergie.

Das Thema Emisison befasst uns bei allen Verbrennungsprozessen ob beim BHKW oder der GT, und auch indirekt bei den Verstromungsprozessen. Keine der angeführten Prozesse auch bei den Anwendungen in der erneuerbaren Energie hat das Thema Emission nachhaltig gelöst, es verbleiben die bekannten Hauptanteile der Emission wie Kohlenmonoxid, Stickoxide, Schwefeloxide, Russ, Partikel, weiters unverbrannte Kohlenwasserstoffe. In der Regel sind die Emissionen eine Folge der Schnellen Verbrennung unter Druck bei hohen Temperaturen und auch eine Folge der Zusammensetzung des Treibgases. Es ist bekannt dass die Emissionen bei Kolbenmaschinen erheblich größer sind als bei Gasturbinen.

Das Thema Zero Emission(Nullemission) ist in der Technik seit einigen Jahrzehnten in der Überlegung und bekannt. Unter Zero Emission(Nullemission) versteht man, dass kein Abgas mehr über einen Kamin an die Umgebung abgegeben wird. Das setzt voraus, dass man die Abgase verflüssigen kann, und dass die Verschmutzung des Abgases mit Partikel, Russ und Oxiden nicht vorhanden ist. Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe kann man mit einem Oxidationskatalysator entfernen und zu Kohlendioxid und Wasserdampf umwandeln.

Bei der Anwendung von Biomasse mit der thermochemischen Umwandlung der festen biogenen Stoffe zu einem Synthesegas und der nachfolgenden Verbrennung zur Erzeugung von Strom und Wärme hat man die gleichen Aufgabenstellungen in Bezug auf Effizienz und Emission, wie diese aus der Nutzung von fossilen Rohstoffe bekannt sind.

Das Patent US 2016/ 0010513 beschreibt eine hybrigen Kraftwerkskreislauf bestehend einer Kombination von Arbeitsfluiden Wasserdampf(H20) und Kohlendioxiddampf (C02). Die notwendige Wärme wird mit Hilfe von HTR und LTR Reaktoren auf der Basis nuklearer Kernreaktion gewonnen. Der Kohlendioxid(C02) Kreislauf ist als superkritischer Kreislauf ausgelegt, die Abwärme wird in einem Wasserdampfkreislauf genutzt. Daher wird in dem Patent von einem kombinierten Kohlendioxid(C02) und Wasserdampfkreislauf dargelegt. Grundlage des Kohlendioxid(C02) Kreislaufes ist eine Gasturbine, bestehend aus Verdichter und Turbine auf einer Welle ausgeführt, sowie im Wasserdampflkreislauf die Verwendung von Dampfturbinen. Der Nachteil dieser Erfindung ist, dass fossile Rohstoffe, wie Gas und Kohle zur Erzeugung von Wärme verwendet werden. Alternativ wird von nuklearen Reaktoren die Möglichkeit angeführt. Das Patent behandelt die Frage der Rückhaltung von Kohlendioxid und Wasser nicht, sondern ersetzt den früher offenen Kreislauf der Gasturbine durch einen geschlossenen Kreislauf der Gasturbine. Durch die Verwendung von fossilen Rohstoffen bleibt einerseits der Einsatz fossiler Stoffe erhalten und zudem die Frage der Emission offen und ungelöst. Von erneuerbarer Energie ist nicht die Rede. Zudem verlangen Turbinen hohe Volumenströme, was in der Folge bei Gasturbinen zu hohen Kosten für die Verdichtung führt. Im erneuerbaren Energieanwendungen sind die hohen Volumenströme nicht gegeben.

Das Patent US 2015 / 0345341 A1 beschreibt die Kombination von zwei Kreisprozessen mit unterschiedlichen Druckstufen, die Arbeitsmaschinen antrieben, die auf einen Generator wirken. In dem Patent wird Kohlendioxid(C02) als Arbeitsfluid angeführt. Zudem wird die Abwärme des Niederdruckkreisprozesses auf den Hochdruckprozess übertragen. Der nachteil dieses Patentes liegt in der Verwendung von mehreren Druckstufen beim Arbeitsfluid Kohlendioxid(C02). Aus technischen und thermodynamischen Gründen macht diese Druckstufen keinen Sinn, noch dazu wenn die Arbeistmaschinen direkte an den Generator gekoppelt sind.

Das japanische Patent JP 2015 197100 beschreibt die Kohleverbrennung mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und die Nutzung des heißen Angases in einer Gasturbine mit einem nachgeschalteten

Wasserdampfkreislauf. Das Abgasaus der druckaufgeladenen Wirbeschichtverbrennung von Kohle aus C02 und dem Überschuss an 02. Als Oxidationsmittel wird C02 mit Sauerstoff in die Brennkammer und die Nachbrennkammer eingedüst. Der Nachteil der Kohleverbrennung ist der hohe

Sauerstoffüberschuss der bei der Verbrennung benötigt wird. Zudem wird 02 aus eigenen Modulen erzeugt, aber nicht dazugenutzt um ein bestimmtes Mischungsverhältnis mit C02 zu erreichen. C02 wird im Kreis recycliert und um es auszuzschleusen muss das Gasgemisch aus C02 und 02 aufwendig getrennt werden. In der regel fällt bei der Verbrennug und Nachverbrennung in der Brennkammer der Gasturbine immer ein Gemisch aus Kohlendioxid, Sauerstoff und Kohenstoff ( solid ) an, sodass die Trennung dieser Stoffströme sehr aufwendig und sehr schadanfällig ist. Zudem stimmen die Druckstuefn der druckaufgeladenen Verbrennung mit der Gastrennung nicht überein und bei der Gasturbine ist nur der Expansionsteil mit dem Generator verbunden nicht aber der Verdichter, was bedeutet, dass dieser Verdichter eigens angetrieben wird, was den Wirkungsgrda sehr verschlechtert. Zudem wird nach der Gastrennung das anfallende C02 verdichtet und ausgeschleust. Die hier dargestellte Erfindung wiest einen geringen Wirkungsgrad auf und basiert auf der Verbrennung von Kohle nicht aber auf der Basis erneuerbarer Energieträger. Das Recylieren von C02 macht in dieser Anwendung keinen Sinn, da Kohlenstoff zu C02 verbrannt wird.

Das Kanadische Patent CA 2865 439 beschreibt die Abtrennung von C02 aus der Luft. Das beschreibt eine Windturbine mit einem Air Intake, die jene elektrische Energie zu erzeugt, um C02 aus der Luftabtrennen zu können.

Die Aufgabe, die nun gestellt wird, beinhaltet folgende Anforderungen: Gewinnung von Strom und Wärme durch die Verbrennung von erneuerbarem Synthesegas, die Verwendung einer geregelten Gasmischung aus Kohlendioxid und Sauerstoff für die optimale Ausnutzung der Syngaszusammensetzung und für den Einsatz bei kleinen Leistungseinheiten, die Rückhaltung von Kohlendioxid und Wasser in flüssiger Phase und in der Folge die Umsetzung von Zero

Emission(Nullemission) mit höheren Wirkungsgraden als bei der Verwendung von fossilen Brennstoffen.

Die hier beschriebene Erfindung löst die Aufgabe der Verwertung von Synthesegas zu Strom und Wärme indem das Synthesegas(12) in einer Brennkammer (13) zu Kohlendioxid(C02) und

Wasserdampf(H20)(14) oxidiert wird. In diesem Zusammenhang bietet sich die flammenlose Oxidation in der Brennkammer(13) sehr gut an. Diese findet in einer aufgeheizten Keramikstruktur statt, deren

Temperatur T > 800°C liegt und somit höher als der Flammpunkt der einzelnen oxidierbaren

Gaskomponenten. Unter Keramikstruktir versteht man die einfachste Form in der Umsetzung einer

Kugelschüttung. Die Kugelgröße legt das den Druckverlust in der Brenn kammer fest, legt darüber hinaus fest, welche Wärmemenge gespeichert werden kann. Die Zielsetzung der Vermeidung turbulenter Flammen wird erreicht, in dem die Oxidation in der Brennkammer stattfindet und die Wärme auf das Abgas übertragen wird. Trotzdem tritt in der Brennkammer als Funktion der Temperatur eine Wärmestrahlung ( Tönung ) auf. Was den Vorteil der flammenlosen Oxiadtion mit sicht bringt ist ein Umsatz der chemischen Reaktion zu 99% wegen der langsamen Strömungsgeschwindigkeit und der groißen Kontaktoberfläche, die für die chemischen Reaktionen zur Verfügung steht.

Was zudem als Vorteil dieser Erfindung anzuführen ist, ist der Umstand der einfachen Bauweise, die einen fast drucklosen Betrieb ermöglicht. Damit wird der Druckverlust in der Brennkammer(13) geringer, die Energie durch Vorverdichtung sehr gering, und die Verweilzeit der reagierenden Komponenten größer. Das steigert die Effizienz und den Umsatz. Darin liegt auch der Vorteil gegenüber der klassischen Brennkammer einer Kolbemaschine oder Gasturbine. Beide Formen der Brennkammern sind in dem Volumen limitiert, und verfügen über eine sehr kurze Verweildauer und einen hohen Ladungswechsel. Damit ist auch die Verweilzeit für chemische Reaktionen geringer, und der Umsatz und die Effizienz geringer.

Die Mischung aus Kohlendioxid(C02) und Sauerstoff(02) wird oft auch als künstliche Luft bezeichnet. Die Mischung zwischen Kohlendioxid und Sauerstoff hat ein Verhältnis von 5% 02 bis 50% 02, also für die Regelung und für die Anpassung an unterschiedliche Synthesegase sehr geeignet. Der Anteil an Kohlendioxid dient dazu bei den chemischen reaktionen zwischen dem Sauerstoff und dem Reaktionspartner dämpfend zu wirken. Die Herstellung der künstlichen Luft erfolgt erfindungsgemäß über angesaugte normale gefilterte Luft, die verdichtet wird und dann einer bekannten Druckwechseladsorptionsanlage zugeführt wird, mit einem speziellen CMS kann dann eine Reinheit des Sauerstoffes mit einem N2 Gehalt < 1% erreicht werden. Der Sauerstoff wird in einer Mischkammer mit Kohlendioxid gemischt. Diese Mischung erfolgt geregelt. Es werden folgende Messungen durchgeführt: vom Synthesegas die Zusammensetzung in Form der Konzentration von Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Dioxid, beim Abgastrom die Zusammensetzung in Form von Kohlendioxid und Wasserdampf, Sauerstoff. Damit kann man den benötigten Anteil an Sauerstoff bestimmen und regeln und den Anteil an Kohlendixoid, das der Brennkammer beigemischt werden muss. Zielsetzung ist die vollständige Umsetzung zu Kohlendioxid und Wasserdampf und ein Massenstrom in der Größenordnung m(kg/sec) > ~ 1 kg/sec und Temperaturen des Abgasstromes von Tg ~ 1600°C.

Die Regelung ist ein digitaler PID Regler, der basierend auf den Gaskonzentrationen, Druck, Temperatur und Volumenstrom und den über die Messgenber erfassten Messdaten unter Einhaltung der Abgastemperatur und des Massenstromes, sowie der vollständigen Umsetzung des Sauerstoffanteiles, den zugeführten Anteil an Kohlendioxid und Sauerstoff regelt.

Massenbilanz der Brennkammer:

Aus der Massenbilanz ersieht man, dass die Gasbestandteile des Synthesegases(12) bekannt sein muss, will man den Anteil an benötigten Sauerstoff(6) bestimmen. Durch die Regelung kann auf die Schwankungen der Gaszusammensetzung im Synthesegas(12) der Sauerstoff(02) ausgeregelt werden.

Energiebilanz ohne Vorwärmer:

Die Energiebilanz ermöglicht es die Temperatur(72) das Abgasdampfes(14) auszuregeln.

Energiebilanz mit Vorwämer:

Durch den Einsatz von Vorwärmer kann der Massenstrom(70) des Abgdasdampfes(14) erhöht werden, bei Ausregelung der Abgasdampftemperatur(72) und der Umsetzung zu Kohlendioxid(C02) und Wasser(H20).

Durch die Vollständige Umsetzung des Synthesegases(12) zu Kohlendioxid(C02)(42) und Wasserdampf(H20)(43), verfügt man über Dampfgemischdann das Abgas in der Folge abgekühlt werden. Die so vorhandene hohe Exergie (= Wärme mit hohen Temperaturen) im Abgasdampf(14) bietet die Möglichkeit eines sehr hohen Wirkungsgrades bei der Verstromung mittels eines eigenen Kreislaufes. Nach der Abkühlung des Abgasdampfes(14) über einen Wärmetauscher(21) auf eine Temperatur Tg ~ 120°C wird das Abgasdampf(20) in einen Kondensator(19) eingeleitet, wo es auf 95°C abgekühlt wird. Damit kondensiert der Wasserdampf zu Wasser als Kondensat, und kann für Warmwasseranwendungen (22,23) verwendet werden. Das verbleibende Kohlendioxid(C02)(17) ist dampfförmig und wird über den Verdichter (16) der weiteren Verwertung(15,65) zugeführt. Die weitere Verwertung des dampfförmigen Kohlendioxid(C02) erfolgt einmal als rezyklierter Volumenstrom(15) in der Brennkammer (13) und in einen Volumenstrom(8) in der Mischkammer(7) mit Sauerstoff(02)(6) zu künstlicher Luft(9). Der restliche Anteil an Kohlendioxid(C02)(65) wird auf einen Druck von p=70 bar verdichtet(33) und kondensiert und in einem Tank(31) gelagert.

Das Warmwasser aus dem Abgasdampf(20) wird für eine weitere Verwertung zu Trocknungsprozessen oder Heizprozessen in dem Tank(18) gespeichert. In der Regel hat das Warmwasser eine Temperatur zwischen T=90°C bis T =95°C.

Die Erfindung umfasst die Nutzung der Abwärme des Abgasdampfes(14) aus der Brennkammer(13) in mehreren Möglichkeiten. Im einfachsten Fall wird die Abwärme genutzt, um Prozesse mit Wärmebedarf zu unterstützen (22,23). Dabei stehen zwei Wärmepotenziale zur Verfügung: Hochtemperatur mit einem hohen Exergieanteil und Niedertemperatur mit einem hohen Anergieanteil. In einer Erweiterung kann die Abwärme aus der Brennkammer für eine Wärmeverstromung genutzt werden. Erfindungsgemäß bietet sich dafür das Arbeitsfluid Kohlendioxid(C02) an. Die einfache Wärmeverstromungsanlage(A) erzeugt Strom und Wärme mit folgenden üblichen Wirkungsgraden: etaete = 0,33 bis 0,3 0,55 bis 0,5

Dieses Ergebnis zeigt den einfachen Wärmeverstromungskreislauf.

Die Erfindung löst die Aufgabe zur Erreichung von höheren Wirkungsgraden, in der Ausnutzung der thermodynamischen Eigenschaften des Arbeitsfluides Kohlendioxid(C02), dessen Dichte höher ist als die von Wasserdampf(H20) und sich daher die Möglichkeit der Koppelung von mehreren Wärmeverstromungen auf der Basis von Kohlendioxid(C02) möglich macht.

Die Koppleung von N=3 Kreisläufen ergibt folgende elektrische Ausbeute.

Diese Aufstellung zeigt, dass man aus der zugeführten Abwärme aus der Brennkammer(13) erfindungsgemäß einen höheren Anteil an Strom und Wärme gewinnen kann, der sich wie folgt ergibt:

Grundlage dafür sind die thermodynamischen Eigenschaften des Arbeitsfluides Kohlendioxid(C02). 3% der erzeugten Energie gehen in der Verdichtung des Arbeitsfluides vom niedrigen Druck auf den maximalen Betriebsdruck verloren.

In der erneuernbaren Energie sind Anlagen grosser Leistungen nicht gefragt und sinnvoll, denn die Erzeugung erfolgt regional und dezentral. Bei kleinen Anlagen im leistungsbereich von Pele ~ 500 kW eie hat man es mit sehr kleinen Volumenströmen und Massenströmen zu tun. Turbinen sind definiert über die Schluckzahl und Volumenszahl und verlangen nach großen Volumenströmen. Wenn nun erfindungsgemäß als Arbeitsfluid Kohlendioxid (C02) eingesetzt wird, dann hat das Arbeitsfluid bei hohen Drücken eine sehr große Dichte und einen kleinen Volumenstrom.

Tabelle 1: Darstellung der thermodynamischen Daten von Wasser(H20) und Kohlendioxid(C02)

Aus der Gegenüberstellung von Wasserdampf zu Kohlendioxid(C02) sieht man das Verhältnis ~ 2,5, Wasserdampf(H20) hat eine geringer Dichte als Kohlendioxid(C02), umgekehrt ist der Energieinhalt bei Wasserdampf höher als bei Kohlendioxid. Zudem ist Kohlendioxid bei Umgebungstemperatur nur bei einem Druck von p~ 70 bara kondensierbar und flüssig, und Wasserdampf kondensiert bei T~ 25°C bei Umgebungsdruck p~ 1bara. Diese thermodynamischen Eigenschaften haben auf die Hauptabmessungen der Entspannungsmaschinen einen erheblichen Einfluss: bei Turbinen benötigt man bei Verwendung von Kohlendioxid(C02) als Arbeitsfluid sehr grosse Massenströme, um die Abmessungen technisch machbar zu halten. Ist der Volumenstrom klein, dann verbleibt nur mehr die Möglichkeit der Ausnutzung in Form von Kolbenmaschinen. Die kleinen Volumenströme bedingen auch sehr baukleine Armaturen und Abmessungen der Rohrleitungen.

Die Erfindung löst die Aufgabe mit dem Einsatz von Expansionsmaschinen in der Ausführung von Linearkolbenexpander mit Lineargeneratoren ( Abbildung 5) zur Erzeugung von elektrischer Energie. Der Vorteil dieser Anlagen liegt in der Kleinheit, Kompaktheit und grossen Leistungsdichte gegenüber herkömmlichen bekannten Anlagen auf der Basis von Wasserdampf(H20).

Der Wirkungsgrad der Brennkammer(13) kann durch den Einsatz von Recuperatoren (Vorwärmer) (60,63,64) verbessert werden. Durch den Einsatz der Vorwärmer für das Synthesegas, die künstliche Luft erzeugt in der Mischkammer(7), und das recycelte Kohlendioxid(C02)(15), kann der Massenstrom des Abgasdampfes(14) gesteigert werden und die vorhandene Wärme des Treibgases(12) besser ausgenutzt werden, indem weniger Wärme benötigt wird, die Gaskomponenten auf die Brennkammertemperatur zu bringen. Erfindungsgemäß werden daher auch Vorwärmer eingesetzt und verwendet und löst damit die Aufgabenstellung in Bezug auf eine höhere Effizienz und Ausnutzung des Energieinhaltes des Treibgases.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der leichteren Skalierbarkeit der Anlage. Bei der Verwendung von Gasmotorgeneratorsets ist man in der Bauweise und in der Leistung limitiert und auf bestimmte Leistungseinheiten eingeschränkt. In der Regel werden daher die Gasmotoren größer ausgelegt, um die entsprechenden Strömungsquerschnitte zur Verfügung zu stellen. Damit sinkt in der Folge der Wirkungsgrad. Die Erfindung löst die Aufgabe nach einem höheren Wirkungsgrad auf der Basis der Verwertung der Energie des Synthesegases durch Verwendung einer Brennkammer in Kombination mit einer Wärmeverstromung unter der Rückhaltung von flüssigen Kohlendioxid und Wasser.

Die Anwendungen dieser Erfindung sind im Rahmen der erneuerbaren Energie ein weiterer Schritt in der Verflüssigung des Abgases, zur Zurückhaltung von Wasser(H20) und Kohlendioxid(C02) und zur Erreichung einer höheren Effizienz und Wirkungsgrad und einer Reduktion von

Treibhausgasemissionen. Zudem hat die hier dargelegte Erfindung den Vorteil, Ersatz von Blockheizkraftwerken zu sei, wodurch sich für den Anwender auch ein wirtschaftlicher Vorteil ergibt. Die Anlagen sind in einem elektrischen Leistungsbereich von P=100kW eie bis 1000 kW eie einsetzbar.

Abbildungen Abbildung 1

Die Abbildung 1 umfasst die Luft (1) die angesaugt wird, mit dem Schraubenverdichter (2) auf den Vordruck gebracht wird, um in der nachfolgenden Gastrennungsanlage ( PSA ) (4) in den Anteil an Sauerstoff (6) und Stickstoff (5) aufgetrennt zu werden. Der so gewonnene Sauerstoff (6) wird mit dem Regelventil (37) im Volumenstrom ausgeregelt und der Mischkammer (7) zugeführt. In der Mischkammer werden der Sauerstoff(6) mit Kohlendioxid(C02)(8) über das Regelventil(35) gemischt , und das Gasgemisch (9) für den weiteren Einsatz in einen Volumenstrom (9) und in einen Volumenstrom (11) aufgeteilt. Das Gasgemisch (11) wird über das Regelventil (35) in die Brennkammer (13) eingedüst. Das Syngas(12) wird ebenfalls in die Brennkammer eingedüst. Um den Volumenstrom ausregeln zu können wird ein Anteil an Kohlendioxid (15) über das Regelventil (34) in der Brennkammer (13) eingedüst. Der Abgasvolumenstrom(14) aus der Brennkammer(13) wird über den Wärmetauscher (21) abgekühlt und das abgekühlte Abgas (20) dem Kondensator(19) zugeführt. In dem Kondensator(19) wird der Wasserdampf zu Wasser kondensiert und im Tank (18) gelagert und abgeleitet (66). Das verbleibende gasförmige Kohlendioxid(17) wird über den Verdichter (16) in den Volumenstrom (15), der zur Brennkammer geleitet wird und in einen Volumenstrom (65) der zum zweiten Verdichter(33) geführt wird, aufgespaltet. Das verdichtete Kohlendioxid wird im Kondensator (30) kondensiert und im Tank (31) gespeichert und aus dem Tank abgeleitet(32). Die Kühlung des Kondensators (19) und des Kondensators(30) erfolgt über einen geschlossenen Wasser-Kreislauf bestehend aus einer Pumpe(27) einem Rückkühler (26) und dem kalten Vorlauf(25,29) und dem warmen Rücklauf(28,24).

Abbildung 2

Die Abbildung 2 umfasst die Luft (1) die angesaugt wird, mit dem Schraubenverdichter (2) auf den Vordruck gebracht wird, um in der nachfolgenden Gastrennungsanlage ( PSA ) (4) in den Anteil an Sauerstoff (6) und Stickstoff (5) aufgetrennt zu werden. Der so gewonnene Sauerstoff (6) wird mit dem Regelventil (37) im Volumenstrom ausgeregelt und der Mischkammer (7) zugeführt. In der Mischkammer werden der Sauerstoff(6) mit Kohlendioxid(C02)(8) über das Regelventil(35) gemischt , und das Gasgemisch (9) für den weiteren Einsatz in einen Volumenstrom (9) und in einen Volumenstrom (11) aufgeteilt. Das Gasgemisch (11) wird über das Regelventil (35) in die Brennkammer (13) eingedüst. Das Syngas(12) wird ebenfalls in die Brennkammer eingedüst. Um den Volumenstrom ausregeln zu können wird ein Anteil an Kohlendioxid (15) über das Regelventil (34) in der Brennkammer (13) eingedüst. Der Abgasvolumenstrom(14) aus der Brennkammer(13) wird über den Wärmetauscher (21) abgekühlt und das abgekühlte Abgas (20) dem Kondensator(19) zugeführt. In dem Kondensator(19) wird der Wasserdampf zu Wasser kondensiert und im Tank (18) gelagert und abgeleitet (66). Das verbleibende gasförmige Kohlendioxid(17) wird über den Verdichter (16) in den Volumenstrom (15), der zur Brennkammer geleitet wird und in einen Volumenstrom (65) der zum zweiten Verdichter(33) geführt wird, aufgespaltet. Das verdichtete Kohlendioxid wird im Kondensator (30) kondensiert und im Tank (31) gespeichert und aus dem Tank abgeleitet(32). Die Kühlung des Kondensators (19) und des Kondensators(30) erfolgt über einen geschlossenen Wasser-Kreislauf bestehend aus einer Pumpe(27) einem Rückkühler (26) und dem kalten Vorlauf(25,29) und dem warmen Rücklauf(28,24). Für die Regelung der Gaszusammensetzung aus Sauerstoff(6) und Kohlendioxid(8) zu einem Gasgemisch(9) wird die Gaszusammensetzung des Synthesegases erfasst, wobei der Kohlenmonoxidanteil (40) , der Wasserstoffanteil(39) und der Kohlendioxidanteil(67), sowie der Volumenstrom(41), der Druck im Synthesegas(68) und die Temperatur des Synthesegases(69) gemessen wird und in dem Regelgerät(44) aufgearbeitet wird. Die Zusammensetzung des Abgasdampfes (14) wird gemessen in Kohlendioxid (C02) ( 42) und im Wassergehalt (H20) (43), der Volumenstrom(70), der Druck(71), die Temperatur(72). Diese Messdaten werden für die Regelung (44) benötigt und stellen die Rückkoppelung dar. Weiters werden folgende Messdatendes recykelten Kohlendioxides(C02) (15) erfasst, der Volumenstrom(82), der Druck(84), die Temperatur(83), das für die Mischkammer(7) rückgeführte Kohlendioxid(8), der Volumenstrom(76), Temperatur(77), Druck(78), sowie der Sauerstoff aus der PSA(4), Volumenstrom(79), Druck(81), Temperatur(80). Diese Messdaten werden dem Regelgerät(44) zugeführt und als Messsignale werden die Stellgrößen für die Regler ( 34,35,36,37) ermittelt.

Abbildung 3

Die Abbildung 3 umfasst die Luft (1) die angesaugt wird, mit dem Schraubenverdichter (2) auf den Vordruck gebracht wird, um in der nachfolgenden Gastrennungsanlage ( PSA ) (4) in den Anteil an Sauerstoff (6) und Stickstoff (5) aufgetrennt zu werden. Der so gewonnene Sauerstoff (6) wird mit dem Regelventil (37) im Volumenstrom ausgeregelt und der Mischkammer (7) zugeführt. In der Mischkammer werden der Sauerstoff(6) mit Kohlendioxid(C02)(8) über das Regelventil(35) gemischt , und das Gasgemisch (9) für den weiteren Einsatz in einen Volumenstrom (9) und in einen Volumenstrom (11) aufgeteilt. Das Gasgemisch (11) wird über das Regelventil (35) in die Brennkammer (13) eingedüst. Das Syngas(12) wird ebenfalls in die Brennkammer eingedüst. Um den Volumenstrom ausregeln zu können wird ein Anteil an Kohlendioxid (15) über das Regelventil (34) in der Brennkammer (13) eingedüst. Der Abgasvolumenstrom(14) aus der Brennkammer(13) wird über den Wärmetauscher (21) abgekühlt und das abgekühlte Abgas (20) dem Kondensator(19) zugeführt. In dem Kondensator(19) wird der Wasserdampf zu Wasser kondensiert und im Tank (18) gelagert und abgeleitet (66). Das verbleibende gasförmige Kohlendioxid(17) wird über den Verdichter (16) in den Volumenstrom (15), der zur Brennkammer geleitet wird und in einen Volumenstrom (65) der zum zweiten Verdichter(33) geführt wird, aufgespaltet. Das verdichtete Kohlendioxid wird im Kondensator (30) kondensiert und im Tank (31) gespeichert und aus dem Tank abgeleitet(32). Die Kühlung des Kondensators (19) und des Kondensators(30) erfolgt über einen geschlossenen Wasser-Kreislauf bestehend aus einer Pumpe(27) einem Rückkühler (26) und dem kalten Vorlauf(25,29) und dem warmen Rücklauf(28,24).

Der Wärmetauscher (21) ist nun als Verdampfer für das einlaufende flüssige Arbeitsfluid (22) und dem dampfförmigen(23) überhitzten Arbeitsfluid (23) ausgebildet. Der Treibdampf(23) wird in eine Entspannungsmaschine(45) mit Generator(46) entspannt. Der Abdampf aus der Entspannungsmaschine (45) wird einem Recuperator (49) zugeführt. Der Abdampf wird über den Abwärmetauscher(50) abgekühlt (55) und dem Kondensator(54) mit dem Kühlwasser(58) wird das Kondensat(55) im Tank(56) und das flüssige Arbeitsfluid(57) über die Pumpe(59) auf den Verdampfungsdruck gebracht und über den Wärmetauscher(49) vorgewärmt. Die Kühlung des Kondensators(54) erfolgt mit dem Kühlwasser (58) aus dem Kühlwasserkreislauf mit der Pumpe(27), der Wärmesenke(26).

Abbildung 4

Die Abbildung 4 umfasst die Luft (1) die angesaugt wird, mit dem Schraubenverdichter (2) auf den Vordruck gebracht wird, um in der nachfolgenden Gastrennungsanlage ( PSA ) (4) in den Anteil an Sauerstoff (6) und Stickstoff (5) aufgetrennt zu werden. Der so gewonnene Sauerstoff (6) wird mit dem Regelventil (37) im Volumenstrom ausgeregelt und der Mischkammer (7) zugeführt. In der Mischkammer werden der Sauerstoff(6) mit Kohlendioxid(C02)(8) über das Regelventil(35) gemischt , und das Gasgemisch (9) für den weiteren Einsatz in einen Volumenstrom (9) und in einen Volumenstrom (11) aufgeteilt. Das Gasgemisch (11) wird über das Regelventil (35) in die Brennkammer (13) eingedüst. Das Syngas(12) wird ebenfalls in die Brennkammer eingedüst. Um den Volumenstrom ausregeln zu können wird ein Anteil an Kohlendioxid (15) über das Regelventil (34) in der Brennkammer (13) eingedüst. Der Abgasvolumenstrom(14) aus der Brennkammer(13) wird über den Wärmetauscher (21) abgekühlt und das abgekühlte Abgas (20) dem Kondensator(19) zugeführt. In dem Kondensator(19) wird der Wasserdampf zu Wasser kondensiert und im Tank (18) gelagert und abgeleitet (66). Das verbleibende gasförmige Kohlendioxid(17) wird über den Verdichter (16) in den Volumenstrom (15), der zur Brennkammer geleitet wird und in einen Volumenstrom (65) der zum zweiten Verdichter(33) geführt wird, aufgespaltet. Das verdichtete Kohlendioxid wird im Kondensator (30) kondensiert und im Tank (31) gespeichert und aus dem Tank abgeleitet(32). Die Kühlung des Kondensators (19) und des Kondensators(30) erfolgt über einen geschlossenen Wasser-Kreislauf bestehend aus einer Pumpe(27) einem Rückkühler (26) und dem kalten Vorlauf(25,29) und dem warmen Rücklauf(28,24). Um den Wirkunsgrad der Brennkammer(13) zu steigern, wird ein Vorwärmer Wärmetauscher(63) verwendet, der das recykelte Kohlendioxid(15) vorwärmt. Der Kohlendioxid Volumenstrom vom Verdichter(16) wird in den Volmenstrom(15) und in den Volumenstrom(62) aufgespalten. Der Volumenstrom(62) wird der Mischkammer(8) zugeleitet. Das Synthesegas(12) wird über den Vorwärmer Wärmetauscher(64) vorgewarmt und in die Brennkammer(13) eingebracht. Das Gasgemisch(11) wird über den Vorwärmer Wärmetauscher(60) vorgewärmt und als Volumenstrom (61) in die Brennkammer(13) eingebracht.

Abbildung 5

Die Abbildung 5 umfasst den Umfang der Abbildung 3, ist erweitert durch zwei weitere Kreisläufe mit dem gleichen Arbeitsfluid wird in der Abbildung 3 dargestellt. Der Tank(89) speichert das Kondensat aus den drei Kondensatoren der drei Arbeitskreisläufe, das flüssige Arbeitsfluid wird aus dem Tank(89) abgesaugt und über die Pumpe(90) verdichtet und über die Regelventile ( 86,87,88) wird der Volumenstrom dem Arbeitskreisläufen zugeführt. Die Regelventile ermöglichen so die Anpassung an die angestrebte Lastverteilung der einzelnen Arbeitskreisläufe.

Abbildung 6

Die Abbildung 6 umfasst die Ausführung der Enspannungsmaschine mit Generator in Form einer Freikolbenexpander angetrieben durch das einströmende Arbeitsfluid (23) und dem entspannten Arbeitsfluid(47). Der aus der Luftrennung gewonnene Stickstoff(5) wird für die Gasdruckfeder verwendet. Der Generator besteht aus zwei Lineargeneratoren(48), angetrieben von den beiden Kolben, die durch die Entspannung des Arbeitsfluides die Generatoren antreibt.

Symbole und Zeichen 1 Luft 2 Schraubenverdichter 3 Druckluft 4 PSA ( Gastrennung ) 5 Stickstoff(N2) 6 Sauerstoff(02) 7 Mischkammer 8 Kohlendioxid 9 Gasgemisch(C02l 02) 10 Gasgemisch (C02,02) 11 Gasgemisch(C02,02) zur Brennkammer(13) 12 Synthesegas(C0,H2,C02) 13 Brennkammer 14 Abgas(C02,H20) 15 Kohiendioxid(C02) 16 Verdichter (C02) 17 Kohiendioxid(C02) 18 Wassertank(H20) 19 Kondensator für Wasserdampf 20 Dampfgemisch(C02,H20) 21 Abwärmetauscher von Abgasdampf(14) 22 Vorlauf Wärmeträger 23 Rücklauf Wärmeträger 24 Kühlwasser Rücklauf 25 Kühlwasser Vorlauf 26 Wärmesenke 27 Pumpe 28 Kühlwasser Rücklauf 29 Kühlwasser Vorlauf 30 Kondensator (C02) 31 Kohlendioxid (C02) Tank 32 Kohlendioxid (C02) Ablauf 33 Verdichter Kohlendioxid (C02) 34 Regler (Volumenstrom) - Kohlendioxid 35 Regler (Volumenstrom) Gasgemisch (C02> 02) 36 Regler (Volumenstrom) - Kohlendixoid 37 Regler (Volumenstrom ) - Sauerstoff 38 Regler (Volumenstrom ) - Gasgemisch(C02, 02) 39 Messgeber Konzentration Wasserstoff(H2) Synthesegas 40 Messgeber Konzentration Kohlenmonoxid(CO) Synthesegas 41 Messgeber Volumenstrom Synthesegas 42 Messgeber Konzentration Kohlendioxid(C02) Angasdampf(14) 43 Messgeber Konzentration Wasserdampf (H20) Abgasdampf(14) 44 Regler ( PID, digital) 45 Entspannungsmaschine Arbeitskreislauf 46 Generator Arbeitskreislauf 47 Abdampf Kohlendioxid(C02) Arbeitskreislauf 48 Abdampf Kohlendioxid(C02) Arbeitskreislauf 49 Recuperator Arbeitskreislauf ( C02/C02) 50 Abwärmewärmetauscher Arbeitskreislauf ( C02 / Wärmeträger) 51 Vorlauf Wärmeträger 52 Rücklauf Wärmerträger 53 Abdampf Arbeitskreislauf 54 Kondensator Arbeitskreislauf 55 Kondensat ( C02) 56 Kondensattank C02 - Arbeitskreislauf 57 Kondensat C02 - Arbeitskreislauf 58 Kühlwasser - Kondensator(54) 59 Pumpe C02 - Arbeitskreislauf 60 Vorwärmer für C02 und 02 Gasgemisch 61 Kohlendioxid und Sauerstoff Gasgemisch(C02,02) 62 Kohlendioxid(C02) zum Mischer 63 Vorwärmer Kohlendioxid(C02) 64 Vorwärmer Synthesegas(C0,H2,C02) 65 Kohlendioxid(C02) 66 Kondensat Wasserableitung(H20) 67 Messgeber Konzentration Kohlendioxid(C02) - Synthesegas 68 Messgeber Druck - Synthesegas (12) 69 Messgeber Temperatur - Synthesegas (12) 70 Messgeber Volumenstrom Abgasdasmpf(14) 71 Messgeber Druck Abgasdampf (14) 72 Messgeber Temperatur Abgasdampf(14) 73 Messgeber Volumenstrom - Kohlendioxid, Sauerstoffgemisch (11) 74 Messgeber Temperatur - Kohlendioxid, Sauerstoffgemisch (11) 75 Messgeber Druck - Kohlendioxid, Sauerstoffgemisch (11) 76 Messgeber Volumenstrom - Kohlendioxid 77 Messgeber Temperatur - Kohlendioxid 78 Messgeber Volumenstrom - Kohlendioxid 79 Messgeber Volumenstrom - Sauerstoff 80 Messgeber Temperaur - Sauerstoff 81 Messgeber Druck - Sauerstoff 82 Messgeber Volumenstrom - Kohlendioxid 83 Messgeber Temperatur - Kohlendioxid 84 Messgeber Volumenstrom - Kohlendixoid 85 Kondensat Kohlendioxid - Nachspeisung Arbeitskreislauf 86 Regelventil Kohlendioxid - Arbeitskreislauf A(93) 87 Regelventil Kohlendioxid - Arbeitskreislauf A(94) 88 Regelventil Kohlendioxid - Arbeitskreislauf A(95) 89 Kondensattank (C02) 90 Pumpe Kohlendioxid (C02) 91 Vorwärme Wärmetauscher - Arbeitskreislauf(94) 92 Vorwärme Wärmetauscher - Arbeitskreislauf(95) 93 Arbeitskreislauf(C02) 94 Arbeitskreislauf(C02) 95 Arbeitskreislauf(C02)

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Verflüssigung von Kohlendioxid und Wasser und der Erzeugung von elektrischer Energie und nutzbarer Abwärme, umfassend die Brennkammer (13) mit der Sauerstoffgewinnung aus Verdichter (2) und Gastrennung (4) , die Mischkammer (7), dem Abgaswärmetauscher (21), dem Kondensator(19) zur Verflüssigung von Wasserdampf und dem Wassertank(18), dem Verdichter(16) für Kohlendioxid, dem Verdichter(33) für Kohlendioxid, dem Kondensator(30) für Kohlendioxid(C02), und dem Tank(31) für Kohlendioxid(C02), Wasserpumpe(27), Wärmesenke(26) gekenntzeichnet dadurch, dass - Luft(1) zur Sauerstoffgewinnung(6) angesaugt wird, bei Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur - Luft(1) auf einen Druck verdichtet wird, minimaler Druck p = 4 bar, maximaler Druck p=11bar, bevorzugt p=8 bar, - als Verdichter(2) für die angesaugte Luft(1) ein Schraubenkompressor verwendet wird, der Sauerstoff(6) über Lufttrennungsanlage(4) in der Ausführung als Druckwechseladsorptionsanlage(PSA) gewonnen wird, mit einem Sauerstoffgehalt von minimal 95%, maximal 100%, bevorzugt 99%, - der Sauerstoff(6) in einer Mischkammer(7) mit Kohlendioxid(C02)(8) vermischt wird und eine Konzentration an Sauerstoff(6) in dem Gasgemisch(11) aufweist, minimal 5%, maximal 50%, bevorzugt 20% - ein Teil des Gasgemisches aus Kohlendioxid und Sauerstoff(11) des Gasgemisches(9) in der Brennkammer(13) verwendet wird, - ein Teil des Gasgemisches aus Kohlendioxid und Sauerstoff (10) des Gasgemisches(9) für andere Oxidationsprozesse verwendet wird, - die Brennkammer(13) mit Synthesegas(12) und den Gasgemisch(11) befeuert wird, - das Synthesegas(12) aus den Komponenten, Kohlenmonoxid(CO), Wasserstoff(H2) und Kohlendioxid (C02)besteht, - die Kohlenmonoxid Konzentration im Syngas(12) minimal bei 10%, maximal bei 50% und bevorzugt bei 35% liegt - die Wasserstoff Konzentration im Syngas(12) minimal bei 10%, maximal bei 50% und bevorzugt bei 35% liegt - die Kohlendioxid Konzentration im Syngas(12) minimal bei 10%, maximal bei 50% und bevorzugt bei 35% liegt - das Abgas(14) aus der Brennkammer(13) aus Kohlendioxid und Wasserdampf besteht, - das Abgas(14) aus der Brennkammer(13) einen Druck(71) aufweist, minimal p0=1,1bara, maximal p=2,0 bara, bevorzugt p=1,5bara - das Abgas(14) aus der Brennkammer(13) eine Temperatur(72) aufweist, minimal T=800°C, maximal T=2000°C, bevorzugt T=1600°C, - der Anteil an Kohlendioxid im Abgas(14) eine Konzentration(42) aufweist, minimal 10%, maximal 100%, bevorzugt 80%, - der Anteil an Wasserdampf im Abgas(14) eine Konzentration(43) aufweist, minimal 0%, maximal 50%, bevorzugt 20%, - das Angas(14) einen Volumenstrom(70) aufweist, minimal V=500Nm3/h, maxmial V=2500 Nm3/h, bevorzugt V=1500 Nm3/h - der Abgaswärmetauscher(21) die im Abgas(14) enthaltene Wärme nutzbar macht und die Austrittstemperatur des Abgases minimal T=100°C, maximal T=150°C, bevorzugt T=120°C aufweist, - der Abgaswärmetauscher(21) die im Abgas(14) enthaltene Wärme nutzbar macht und einen Druckverlust auf der Abgasseite aufweist, minimal dp =0,025bar, maximal dp=1 bara, bevorzugt dp=0,05bar - der Abgaswärmetauscher(21) für einen Abgasvolumenstrom (70)ausgelegt ist, minimal V=500Nm3/h, maximal V=2500 Nm3/h, bevorzugt V=1500 Nm3/h, - der Kondensator(19) den im Abgas(20) enthaltenen Wasserdampf(H20) kondensiert, bei einer Kondensationstemperatur minimal T=80°C, maximal T=95°C, bevorzugt T=90°C - das Wasserkondensat im Tank (18) gespeichert wird und für weitere Verwendung entnommen wird (66) - das Kondensat(66) als Warmwasser verwendet wird, mit einer Vorlauftemperatur, minimal T=80°C, maximal T=95°C, bevorzugt T=90°C, und einer Rücklauftemperatur, minimal T=40°C, maximal T=75°C, bevorzugt T=60°C - das dampfförmige Kohlendioxid(17) über den Verdichter(16) weiterbefördert wird - der Verdichter(16) als Schraubenverdichter ausgebildet ist - der Verdichter(16) das Kohlendioxid(17) auf einen Druck verdichtet, minimal p=1,5 bara, maximal p=3bara, bevorzugt p =bara - der Verdichter(16) für einen Volumenstrom an Kohlendioxid ausgelegt ist, minimal V=400Nm3/h, maximal V=2000 Nm3/h, bevorzugt V= 1200Nm3/h - das Kohlendioxid(17) nach dem Verdichter(16) in einen Volumenstrom(15) aufgespalten wird, zur Rückführung in die Brennkammer(13), minimal V=100Nm3/h , maximal V=1000Nm3/h , bevorzugt V=600 Nm3/h - das Kohlendioxid(17) das nicht in die Brennkammer(13) rückgeführt wird, dem Verdichter(33) zugeführt wird, - der Verdichter(33) als hydraulischer Verdichter ausgeführt ist, und auf einen Druck von minimal p =50 bara, maximal p=80 bara, bevorzugt p=70bara verdichtet - das verdichtete Kohlendioxid in den Kondensator(30) eingeleitet wird, und bei einer Temperatur kondensiert wird, minimal T=5°C, maximal T=30°C, bevorzugt T=25°C - das Kohlendioxidkondensat in einem C02 Tank(31) gespeichert wird, und für die weitere Nutzung(32) verwendet wird - für die Kühlung der Wärmetauscher(19,30) als Kondensatoren Kühlwasser verwendet wird, mit einer Vorlauftemperatur(29,25), minimal T=5°C, maximal T=45°C, bevorzugt T=25°C, und einer Rücklauftemperatur(28,24), minimal T=15°C, maximal T=55°C, bevorzugt T=35°C - die Wärmesenke(26) als Tischkühler ausgebildet ist, der die Wärme an die Umgebung abgibt, minimal Q = 500 kWh, maximal Q = 2000 kW, bevorzugt Q=1000 kWh - die Kühlung der Wärmetauscher(19,30) über einen geschlossenen Kühlwasser Kreislauf stattfindet - das Kühlwasser mit einer Pumpe (27) im Umlauf befördert wird und einen statischen Druck aufweist, minimal p=3 bar, maximal p=6 bar, bevorzugt p=4 bar.
2.Vorrichtung für das Verfahren nach Anspruch 1 umfassend das Regelventil(37) für Sauerstoff(6), das Regelventil(35) für Gasgemisch(11), das Regelventil(36) für Kohlendioxid in die Mischkammer(7), das Regelventil(38) für das Gasgemisch(IO), das Regelventil(34) für Kohlendioxid in die Brennkammer(13), Messgeber für Kohlenmonoxid(41) im Synthesegas(12), umfassend die Messgeber für Wasserstoff(39) im Synthesegas(12), Messgeber für Kohlendioxid(67) im Synthesegas(12), Messgeber für Volumenstrom(41) im Synthesegas(12), Messgeber für Temperatur(69) im Synthesegas(12), Messgeber für Druck(68) im Synthesegas(12), Messgeber für Wasserdampf(43) im Abgasdampf(14), Messgeber für Kohlendioxid(42) im Abgasdampf(14), Messgeber für Druck(71) im Abgasdampf(14), Messgeber für Temperatur(72) im Abgasdampf(14), Messgeber für Volumenstrom(70) im Abgasdampf(14), Messgeber für Druck(75) im Gasgemisch(11), Messgeber für Temperatur(74) im Gasgemisch(11), Messgeber für Volumenstrom(73) im Gasgemisch(11), Messgeber für Druck(78) im Kohlendioxid(8), Messgeber für Temperatur(77) im Kohlendioxid(8), Messgeber für Volumenstrom(76) im Kohlendioxid(8), Messgeber für Druck(81) im Sauerstoff(6), Messgeber für Temperatur(80) im Sauerstoff(6), Messgeber für Volumenstrom(79) im Sauerstoff(6), Messgeber für Druck(84) im Kohlendioxid(15), Messgeber für Temperatur(83) im Kohlendioxid(15), Messgeber für Volumenstrom(82) im Kohlendioxid(15),dem Regelgerät(44) gekennzeichnet dadurch, dass - das Regelventil(37) für Sauerstoff den Volumenstrom an Sauerstoff(6) regelt, minimal 5%, maximal 100%, bevorzugt 25% - das Regelventil(35) für das Gasgemisch(11) aus Kohlendioxid und Sauerstoff den Volumenstrom in die Brennkammer(13) regelt, minimal 10%, maximal 100%, bevorzugt 75% - das Regelventil(38) für das Gasgemisch(IO) aus Kohlendioxid und Sauerstoff den Volumenstrom zur weiteren Verwendung regelt, minimal 10%, maximal 100%, bevorzugt 75% -das Regelventil(36) für Kohlendioxid(8) den Volumenstrom in die Mischkammer(13) regelt, minimal 10%, maximal 100%, bevorzugt 75% -das Regelventil(34) für Kohlendioxid(15) den Volumenstrom in die Brennkammer(13) regelt, minimal 10%, maximal 100%, bevorzugt 75% - der Messgeber(39) die Konzentration an Wasserstoff im Volumenstrom des Synthesegases(12) erfasst, minimal 10%, maximal, 50%, bevorzugt 40% - der Messgeber(41) die Konzentration an Kohlenmonoxid im Volumenstrom des Synthesegases (12) erfasst, minimal 10%, maximal, 50%, bevorzugt 40% - der Messgeber(67) die Konzentration an Kohlendioxid im Volumenstrom des Synthesegases (12) erfasst, minimal 5%, maximal, 30%, bevorzugt 20% - der Messgeber(41) der den Volumenstrom an Synthesegas(12) erfasst, minimal 100 Nm3/h, maximal, 2000Nm3/h, bevorzugt 1000Nm3/h - der Messgeber(68) der den Druck im Synthesegas(12) erfasst, minimal p=1,1bara, maximal p=2,0 bara, bevorzugt p=1,5 bara - der Messgeber(69) der die Temperatur im Synthesegas(12) erfasst, minimal T=25°C , maximal T=100°C, bevorzugt T=50°C - der Messgeber(42) die Konzentration an Kohlendioxid im Volumenstrom des Abgasdampfstromes(14) erfasst, minimal 10%, maximal, 50%, bevorzugt 40% - der Messgeber(43) die Konzentration an Wasserdampf im Volumenstrom des Synthesegases (12) erfasst, minimal 10%, maximal, 50%, bevorzugt 40% - der Messgeber(70) der den Volumenstrom des Abgasdampfstromes(14) erfasst, minimal 500 Nm3/h, maximal, 2500Nm3/h, bevorzugt 1500Nm3/h - der Messgeber(71) der den Druck im Abgasdampfstromes(14) erfasst, minimal p=1,1bara, maximal p=2,5 bara, bevorzugt p=1,5 bara - der Messgeber(72) der die Temperatur im Abgasdampfstromes(14) erfasst, minimal T=800°C , maximal T=2000°C, bevorzugt T=1600°C - der Messgeber(73) der den Volumenstrom des Gasgemisches(11) erfasst, minimal 100 Nm3/h, maximal, 1000Nm3/h, bevorzugt 400Nm3/h - der Messgeber(74) der den Druck im Gasgemisches(11) erfasst, minimal p=1,1bara, maximal p=2,0 bara, bevorzugt p=1,5 bara - der Messgeber(75) der die Temperatur im Gasgemisches(11) erfasst, minimal T=25°C , maximal T=100°C, bevorzugt T=50°C - der Messgeber(76) der den Volumenstrom des Kohlendioxides(15) erfasst, minimal 100 Nm3/h, maximal, 1000Nm3/h, bevorzugt 400Nm3/h - der Messgeber(78) der den Druck im Kohlendioxid(15) erfasst, minimal p=1,1bara, maximal p=2,0 bara, bevorzugt p=1,5 bara - der Messgeber(77) der die Temperatur im Kohlendioxides(15) erfasst, minimal T=25°C , maximal T=100°C, bevorzugt T=50°C - der Messgeber(79) der den Volumenstrom des Sauerstoffes(8) erfasst, minimal 100 Nm3/h, maximal, 2000Nm3/h, bevorzugt 800Nm3/h - der Messgeber(81) der den Druck im Sauerstoffstrom(8) erfasst, minimal p=1,1bara, maximal p=2,0 bara, bevorzugt p=1,5 bara - der Messgeber(80) der die Temperatur im Sauerstoffstrom(8) erfasst, minimal T=25°C , maximal T=100°C, bevorzugt T=50°C - der Messgeber(82) der den Volumenstrom des Kohlendioxides(85) erfasst, minimal 100 Nm3/h, maximal, 2000Nm3/h, bevorzugt 1000Nnrv7h - der Messgeber(84) der den Druck im Kohlendioxides(85) erfasst, minimal p=1,1bara, maximal p=2,0 bara, bevorzugt p=1,5 bara - der Messgeber(83) der die Temperatur im Kohlendioxides(85) erfasst, minimal T=25°C , maximal T=100°C, bevorzugt T=50°C - der Regler(44) die Messdaten erfasst, und zu Stellsignale für die Regelventile(34,35,36,37,38) umwandelt - der Regler(44) als digitaler Dreipunktregler auf PID Basis ausgebildet ist - der Regler(44) die Temperatur(72) des Abgasdampfes(14) regelt - der Regler(44) den Druck(71) des Abgasdampfes(14) regelt - der Regler(44) den Volumenstrom(70) des Abgasdampfes(14) regelt
3. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend den Abgaswärmetauscher(21), die Entspannungsmaschine(45), den Generator(46), den Wärmetauscher (49), den Abdampfwärmetauscher(50), den Kondensator(54), den Kondesattank(56), die Kondensatpumpe(59). Nachspeisung(85) gekennzeichnet dadurch, dass - das Arbeitsfluid Kohlendioxid(C02) ist - der Abgaswärmetauscher(21) das flüssige Kohlendioxid(22) verdampft und als Verdampfer ausgebildet ist, - der Abgaswärmetauscher(21) auf einen Verdampfungsdruck ausgelegt ist, minimal p=100bara, maximal p=500bara, bevorzugt p=400bara - das flüssige Kohlendioxid(23) als Dampf mit einer Temperatur von minimal 800°C, maximal 1800°C, bevorzugt 1200°C austritt - das flüssige Kohlendioxid(57) bei einem Druck von p=70 bar aus dem Tank(56) entnommen wird - das flüssige Kohlendioxid(57) mit einer Pumpe(59) auf einen Druck verdichtet wird, minimal p=100bara, maximal p=600bara, p=400bara - die Pumpe(59) für das flüssige Kohlendioxid(57) als elektrisch angetriebene Kolbenpumpe ausgebildet ist - das verdichtete Kohlendioxid(22) in den Vorwärmer(49) geleitet wird - das flüssige Kohlendioxid(22) in dem Vorwärmer(49) auf eine Temperatur von minimal T=100°C, maximal T=200°C, bevorzugt T=150°C erwärmt wird - das vorgewärmte superkritische Kohlendioxid(22) im Verdampfer(21) überhitzt wird und als überhitzter Dampf(23) austritt - der überhitzte Kohlendioxiddampf(23) in eine Entspannungsmaschine(45) geleitet wird, um elektrische Energie zu erzeugen, - der überhitzte Kohlendioxiddampf eine Temperatur aufweist, minimal T=800°C, maxmial T=1800°C, bevorzugt T=1600°C, - die Entspannungsmaschine (45) als Freikolben Entspannungsmaschine mit Lineargeneratoren ausbildet ist, eine elekrtische Leistung erzeugt minimal 100 kW elektrisch, maximal 500 kW eie, bevorzugt 250 kW eie, - die Entspannungsmaschine(45) meinen elektrischen Wirkungsgrad minimal eta = 0,3, maximal eta = 0,4, bevorzugt eta = 0,35 aufweist - der Kohlendioxid Abdampf(47) auf einen Druck von p=70 bar entspannt worden ist, - die Kohlendioxid Abdampf in den Vorwärmer (49) eingeleitet wird, um das flüssige Kohlendioxid(57) zu erwärmen - der Kohlendioxid Abdampf(48) in den Abdampfwärmetauscher(50) geleitet wird, aus dem eine nutzbare Wärme gewonnen werden kann, minimal 30% der zugeführten Wärme, maximal 60% der zugeführten Wärme, bevorzugt 50% der über den Wärmetauscher(21) dem Arbeitsfluid(22) zugeführten Wärme, - der Kohlendioxid Abdampf(48) in dem Abdampfwärmetauscher(50) auf eine Temperatur abgekühlt wird, minimal T=100°C, maximal T=150°V, bevorzugt T=120°C. - der abgekühlte Kohlendioxidabdampf in einen Kondensator(54) geleitet wird - der Kondensator(54) bei einem Druck von p=70 bar betrieben wird - der Kohlendioxidabdampf bei einer Temperatur von T=25°C kondensiert - das Kohlendioxidkondensat(55) in einem Tank(56) gelagert wird. - das flüssige Kohlendioxid(57) aus dem Tank(56) entnommen wird und der Pumpe(59) zugeführt wird mit einem Massenstrom minimal m=0,8kg/sec, maximal m=2,0 kg/sec, bevorzugt m=1,0kg/sec
4. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend den Vonwärmetauscher (64) für das Synthesegas(12), den Vorwärmetauscher(63)für das Kohlendioxid(15), den Vorwärmetauscher(60) für das Gasgemisch(11) gekennzeichnet dadurch, dass - der Vorwärmetauscher(64) dazu dient das Synthesegas(12) zu erwärmen - das Synthesegas(12) auf eine Temperatur vorgewärmt wird, minimal T=100°C, maximal T=500°C, bevorzugt T=250°C - der Druckverlust des Vorwärmetauscher(64) minimal dp = 5 mbar, maximal 150 mbar, bevorzugt 25 mbar beträgt - der Vorwärmetauscher(64) im Abgasdampfstrom (14) eingebaut ist, die Wärme aus dem Abgasdampfstrom (14) bezieht - der Vorwärmetauscher(63) dazu dient das Kohlendioxid(15) zu erwärmen - das Kohlendioxid(15) auf eine Temperatur vorgewärmt wird, minimal T=120°C, maximal T=500°C, bevorzugt T=250°C - der Druckverlust des Vorwärmetauscher(63) minimal dp = 5 mbar, maximal 150 mbar, bevorzugt 25 mbar beträgt - der Vorwärmetauscher(63) im Abgasdampfstrom (14) eingebaut ist, die Wärme aus dem Abgasdampfstrom (14) bezieht - der Vorwärmetauscher(60) dazu dient das Gasgemisch(11) zu erwärmen - das Gasgemisch(11) auf eine Temperatur vorgewärmt wird, minimal T=25°C, maximal T=500°C, bevorzugt T=250°C - der Druckverlust des Vorwärmetauscher(60) minimal dp = 5 mbar, maximal 150 mbar, bevorzugt 25 mbar beträgt - der Vorwärmetauscher(60) im Abgasdampfstrom (14) eingebaut ist, die Wärme aus dem Abgasdampfstrom (14) bezieht
5. Verfahren nach Anspruch 3 umfassend Verstromungskreislauf (93), Verstromungskreislauf(94), Verstromungskreislauf(95), den Kondensattank(89), die Pumpe(90), die Regelventile(86,87,88), die Vorwärmetauscher(92,91) gekennzeichnet dadurch, dass - der Verstromungskreislauf(93) an den Abgaswärmetauscher(21) angebunden ist und über den Abgaswärmetauscher(21) die Wärme aus dem Abgasdampf(14) auf das Arbeitsfluid (22) überrtagen wird, - der Verstromungskreislauf(94) an den Abdampfwärmetauscher(50) angebunden ist und über den Abgaswärmetauscher(50) die Wärme aus dem Abdampf(48) auf das Arbeitsfluid des Verstromungskreislaufes(94) übertragen wird, - der Verstromungskreislauf(95) an den Abdampfwärmetauscher(50) des Verstromungskreislaufes(94) angebunden ist und über den Abgaswärmetauscher(96) des Verstromungskreislaufes(87) die Wärme aus dem Abdampf des Verstromungskreislaufes(95) über den Abdampfwärmetauscher(97) zur Verfügung steht, - mehrere Verstromungskreisläufe(93,94,95) miteinander gekoppelt werden können, minimal N=1 Kreislauf, maxmimal N=4 Kreislauf, bevorzugt N=3 Kreisläufe - die Koppelung der Kreisläufe(93,94,95) eine höheren elektrischen Wirkungsgrad ermöglichen, minimal eta = 30%, maximal eta = 60%, bevorzugt eta = 55% - die Koppelung der Kreisläufe(93,94,95) eine geringeren thermischen Wirkungsgrad ermöglichen, minimal eta = 10%, maximal eta = 50%, bevorzugt eta = 30%, also weniger nutzbare Abwärme verfügbar ist. - die Kondensatoren für das Arbeitsfluid der einzelnen Verstromungskreisläufen(93,94,95) an den Kühlwasserkreislauf mit der Pumpe(27) und der Wärmesenke(26) angebunden sind - das Kondensat des Arbeitsfluides Kohlendioxid(55) der einzelnen gekoppelten Verstromungskreisläufe(93,94,95) in einem gemeinsamen Tank(89) gesammelt wird. - die gekoppelten Verstromungskreisläufe(93,94,95) von einer Pumpe(90) für das Arbeitsfluid Kohlendioxid versorgt wird, - die Regelventile(86,87,88) den Volumenstrom in den einzelnen Arbeitskreisläufen in einem Regelbereich steuert, minimal 10%, maximal 100%, bevorzugt 75%