CH666253A5

CH666253A5 - Einrichtung zur chemischen erzeugung von kohlendioxid.

Info

Publication number: CH666253A5
Application number: CH2669/84A
Authority: CH
Inventors: Charles Robert Stahl
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1983-06-03
Filing date: 1984-05-30
Publication date: 1988-07-15
Also published as: FR2546976B1; FR2546976A1; JPS6040733A; DE3419216A1; GB2140873B; GB8413003D0; IT1175501B; IT8421164A1; GB2140873A; US4528811A; NO842209L; IT8421164A0

Description

BESCHREIBUNG 30 Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur chemischen Erzeugung von Kohlendioxid.

Gasturbinen werden bekanntlich in der Erzeugung mechanischer Energie verwendet, die beispielsweise zum Antrieb von Fahrzeugen oder zur Energieerzeugung benutzt 35 werden kann. Gasturbinen verbrennen normalerweise Brennstoff in einem offenen Kreislauf, in der Luft in einem Verdichter verdichtet und dann erhitzt wird durch Verbrennen von Brennstoff in einem Brenner. Die erwärmte Luft und Verbrennungsprodukte treffen auf Schaufeln von einem 40 oder mehreren Turbinenrädern auf, bevor sie in die Atmosphäre ausgestossen werden. Die Turbinenräder werden durch die energiehaltigen heissen Gase in Drehung versetzt, und die Drehenergie wird einer Last und auch dem Verdichter zugeführt.

45 An anderer Stelle ist bereits ein Gasturbinensystem mit geschlossenem Kreislauf vorgeschlagen worden, in dem reiner Sauerstoff, der dem Brenner zusammen mit Brennstoff und zurückgeführtem Abgas aus der Turbine zugeführt wird, einen relativ hohen Prozentsatz an Kohlendioxid in dem ge-50 schlossenen System erzeugt. Ein Teil dieser Abgasströmung wird abgezweigt, um den internen Bestand an Materialien in dem geschlossenen System konstant zu halten, und das Kohlendioxid in dem abgezweigten Teil wird für chemische oder industrielle Verwendung zurückgewonnen. Überschüs-55 sige Energie aus der Gasturbine wird dazu verwendet, elektrische Leistung als eine ökonomische Ausgangsgrösse zu erzeugen. Wärme aus dem Gasturbinenabgas wird in einem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator zurückgewonnen, um entweder für die Erzeugung zusätzlicher elektrischer Lei-60 stung oder als eine ökonomische Ausgangsgrösse verwendet zu werden.

Einer der Nachteile des vorgenannten Systems besteht darin, dass die Anlage reinen Sauerstoff erzeugen muss. Eine derartige Sauerstoffanlage trennt üblicherweise die zwei 65 Hauptbestandteile in der Luft, nämlich Sauerstoff und Stickstoff, und liefert den Sauerstoff an den Gasturbinenverdichter. Wenn der Stickstoff ebenfalls wieder gewonnen und verkauft oder verwendet wird, kann dessen Wert wenigstens

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teilweise den Aufwand und die Betriebskosten der Sauerstoffanlage rechtfertigen. Wenn jedoch die Anlage von einem Markt für Stickstoff weit entfernt liegt, wie es häufig bei derartigen Anwendungsfällen wie der tertiären Wiedergewinnung in einem Ölfeld der Fall ist, sind der Aufwand und die 5 Betriebskosten der Sauerstoffanlage ein negativer Faktor für die gesamte wirtschaftliche Lebensfähigkeit des Projekts.

Gemäss einer bekannten öffentlichen Benutzung liefert der Verdichter einer Gasturbine mit offenem Kreislauf einen Teil seiner verdichteten Luft an einen chemischen Prozess, in 1C dem der Sauerstoff in der Luft entfernt und der verbleibende Stickstoff zu einer Zentralstelle des Brenners zurückgeleitet wird. Der Rest der verdichteten Luft von dem Verdichter wird dem Verdichter als Verbrennungsluft in der Nähe der Brennstoffeinspritzung zugeführt, und der Stickstoffausfluss 15 des chemischen Prozesses wird der Verbrennungsgasströmung als Kühlungs- und Verdünnungsmittel stromabwärts vom Verbrennungsbereich zugeführt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine eine Gasturbine aufweisende Einrichtung zur chemischen Erzeu- 20 gung von Kohlendioxid zu schaffen, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Weiterhin soll eine derartige Einrichtung geschaffen werden, die ihre Funktion unter Verwendung von Luft für die Verbrennung von Brennstoff erfüllen kann. Die Einrichtung soll ihre Ausgangsgrössen an 25 Kohlendioxid und elektrische Energie gemäss der Stufe der Ölwiedergewinnung proportionieren können.

Eine erfindungsgemässe Einrichtung zur chemischen Erzeugung von Kohlendioxid ist gekennzeichnet durch die Kombination der im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. 30 Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung schafft, kurz gesagt, eine eine Gasturbine enthaltende Einrichtung zur chemischen Erzeugung von Kohlendioxid, in der die Funktionen von Verbrennungsluft 35 und Verdünnungsgas in einem Gasturbinenbrenner getrennt sind. Verdichtete Verbrennungsluft und Brennstoff werden einem Verbrennungsabschnitt des Brenners zugeführt. Die Ausgangsströmung der Turbinenstufe der Gasturbine wird gekühlt und wieder zu ihrem Verdichter zurückgeleitet von 40 wo ein Teil einem Verdünnungsabschnitt ihres Brenners zugeführt wird, und der Rest wird zu einem chemischen Wiedergewinnungssystem geleitet, wo wenigstens Kohlenstoffdioxid zurückgewonnen wird. Das Kohlendioxid kann verkauft oder beispielsweise in einer teritären Ölwiedergewin- 45 nung verwendet werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Gasturbine dazu verwendet, einen elektrischen Generator anzutreiben. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind ein Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator und eine Dampf- 50 turbine vorgesehen, um zusätzliche Energie aus dem Gasturbinengas wiederzugewinnen. Die Dampfturbine kann dazu verwendet werden, eine Last anzutreiben, und vorzugsweise wird sie zum Antrieb des elektrischen Generators verwendet. Dem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator kann zusätz- 55 liehe Wärme zugeführt werden, um die erzeugte Elektrizität zu vergrössern. Die zusätzliche Wärme wird vorzugsweise unter Verwendung von Wärmerückgewinnungsbrennern erzeugt, in denen die Funktionen von Verbrennung und Verdünnung getrennt sind. Das chemische Rückgewinnungssy- 60 stem kann Prozessdampf verwenden, der von einer Zwischenstufe der Dampfturbine abgezapft wird, um Kohlenstoffdioxid von einem absorbierenden flüssigen Medium abzuzweigen, das dazu verwendet wird, es von der zugeführten Gasströmung zu trennen. Wenn die Menge an Kohlenstoff- 65 dioxid in dem Brennstoff, der dem chemischen Prozessor zugeführt wird, zunimmt, wächst die Menge an Prozessdampf, die zum Abtrennen von dem absorbierenden Strömungsmittel erforderlich ist, und der Beitrag der durch die Dampfturbine erzeugten Elektrizität nimmt entsprechend ab.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung von einer eine Gasturbine enthaltenden erfindungsgemässen Einrichtung mit geschlossenem Kreislauf gemäss einem Aus-führungsbeispiel der Erfindung.

Figur 2 ist eine Querschnittsdarstellung eines Brenners der Einrichtung gemäss Figur 1.

Figur 3 ist eine genauere schematische Darstellung von einer eine Gasturbine enthaltenden Einrichtung mit geschlossenem Kreislauf gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 4 ist eine schematische Darstellung von einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, das zusätzliche Details eines Wärmetauschers und eines Kohlenstoffdioxids-Rüclcgewinnungssystems enthält.

Figur 5 ist eine schematische Darstellung von einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein gefeuerter Wärmerüclcgewinnungs- Dampfgenerator für eine erhöhte Erzeugung von Elektrizität verwendet ist.

Figur 6 ist eine vereinfachte schematische Darstellung und zeigt die Zurückleitung von Materialien, die zur Umwandlung des geschlossenen Prozessors in eine offene Gasturbine verwendet werden.

Wie einleitend bereits ausgeführt wurde, ist es bereits vorgeschlagen worden, reinen Sauerstoff mit dem Brennstoff und in ihrer Brauchbarkeit beeinträchtigten, zurückgeleiteten Gasen zu verwenden, die dem Brenner zugeführt werden, um eine zufriedenstellende Verbrennung des Brennstoffes zu erhalten. Dies erfordert auch die Berücksichtigung der Tatsache, dass das Molekulargewicht der heissen Gase, die zur Turbine strömen, die nahezu reines Kohlenstoffdioxid sind, wesentlich höher ist als dasjenige der normalen Gase, für die bestehende Turbinen ausgelegt sind. Eine Lösung besteht darin, Dampf in den Verdichter oder Brenner zu injizieren, um das Kohlenstoffdioxid mit dem Dampf zu verdünnen, der ein kleineres Molekulargewicht als Kohlenstoffdioxid aufweist. Diese Lösung leidet unter dem verminderten ther-modynamischen Wirkungsgrad, der durch die Dampfinjektion hervorgerufen wird. Eine weitere Lösung besteht darin, die Gasturbine bei einer kleineren Drehzahl zu betreiben. Dies ist unzweckmässig, wenn die elektrische Ausgangsleistung aus einem elektrischen Generator, der durch die Gasturbine angetrieben wird, einer Frequenz eines Leistungsgitters angepasst sein muss, das beispielsweise bei 60 Hz oder einer anderen Frequenz arbeitet. Das bedeutet, wenn die Turbine auf beispielsweise 3000 U/min verlangsamt wird, ist ein Getriebe zwischen der Turbine und dem elektrischen Generator mit 3600 U/min anzutreiben.

Die dem Gasturbinenbrenner zugeführte Luft hat normalerweise drei Funktionen nämlich:

Verbrennen des Brennstoffes

Kühlung des Brenners und seines ausströmenden Arbeitsmittels für die Turbinenstufe.

Infolgedessen werden Gasturbinen normalerweise mit 300 % überschüssiger Luft über der Menge betrieben, die zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffes erforderlich ist. Der Prozentsatz an Kohlenstoffdioxid in der Verdichterausströmung ist deshalb relativ klein. Es wurde nun gefunden, dass es möglich ist, die Funktion der Verbrennung von den übrigen Funktionen in einem Brenner zu trennen, so dass die Verbrennung bei etwa 10 % überschüssiger Luft durchgeführt werden kann und die übrigen Funktionen dadurch herbeigeführt werden, dass in der Brauchbarkeit beeinträchtigte Gase, die reich an Kohlendioxid sind, dem

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Brenner stromabwärts von einer Verbrennungszone zugeführt werden.

In Figur 1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung von einem eine Gasturbine enthaltenden chemischen Prozessor 10 mit geschlossenem Kreislauf gezeigt. Es sei darauf hingewiesen, dass in Figur 1 die Grundprinzipien der Erfindung dargestellt sind, und dass gewisse Elemente, die im folgenden beschrieben werden, auf Wunsch zu der vereinfachten Ausführungsform hinzugefügt werden, um mehr Energie und einen besseren ökonomischen Wirkungsgrad zu erzielen.

Eine Gasturbine 12 erhält einen Verdichter 14, einen Brenner 16 und eine Turbine 18. Der Brenner 16 ist in einen Verbrennungsabschnitt 20 und einen Verdünnungsabschnitt 22 unterteilt. Ein Luftverdichter 24, der durch einen Motor 26 angetrieben ist, liefert verdichtete Verbrennungsluft auf einer Leitung 25 zum Verbrennungsabschnitt 20 in einer Menge, die zum Verbrennen des auf einer Leitung 28 zugeführten Brennstoffs ausreicht, mit einer möglichst kleinen Menge an überschüssiger Luft, um für eine im wesentlichen vollständige Verbrennung des Brennstoffs zu sorgen. Da sehr wenig überschüssige Luft in dem Verbrennungsabschnitt 20 verwendet wird, ist seine Ausströmung relativ reich an Kohlendioxid.

Der Brennstoff kann irgendeine zweckmässige Kohlenwasserstoffart sein, wozu beispielsweie flüssiger Petroleumbrennstoff, Erdgas und vergaste Kohle gehören. Gewisse Brennstoffeinigungsarbeiten können erforderlich sein, um aus dem Brennstoff Verunreinigungen zu entfernen, bevor er dem Verbrennungsabschnitt 20 zugeführt wird. Derartige Brennstoffreinigungen sind jedoch üblich, so dass sich eine weitere Beschreibung erübrigt.

Die expandierten Gase aus der Turbine 18 werden auf einer Leitung 29 zu einem Kühler 30 zurückgeleitet. Der Kühler 30 kann Elemente zum Verbessern des gesamten thermo-dynamischen Wirkungsgrades des Prozessors enthalten, wie es im folgenden noch erläutert wird. Die gekühlten Gase aus dem Kühler 30 werden auf einer Leitung 32 dem Verdichter 14 der Gasturbine 12 zugeführt. Die verdichteten Gase aus der Turbine 14 werden auf einer Leitung 34 einem Zumessventil 36 zugeführt. Das Messventil 36 unterteilt die Gasströmung in eine erste Strömung, die auf einer Leitung 38 dem Verdünnungsabschnitt 22 des Brenners 16 zugeführt wird, und eine zweite Strömung, die auf einer Leitung 40 einem Kohlenstoffdioxid-Rückgewinnungssystem 42 zugeführt wird. Das Kohlenstoffdioxid-Rückgewinnungssystem 42 trennt das Kohlenstoffdioxid an seinem Eingang von anderen darin enthaltenen Gasen und liefert das Kohlenstoffdioxid an ein nicht-gezeigtes Verwendungs- oder Speicherelement auf einer Leitung 44 und die anderen Gase an einen Abgaskamin oder für eine weitere Verarbeitung auf einer Leitung 46.

Üblicherweise wird ein Teil der mechanischen Ausgangsleistung der Turbine 18 an eine mechanische Verbindung 48 zurückgeleitet, um den Verdichter 14 anzutreiben. Der Rest der mechanischen Ausgangsleistung wird zum Antrieb eines elektrischen Generators 50 verwendet, von dem ein Teil der elektrischen Ausgangsleistung in der chemischen Prozessoranlage verwendet werden kann, um beispielsweise den Motor 26 zu speisen, und der Rest dieser Ausgangsleistung kann verkauft werden.

In Figur 2 ist ein Brenner 16 in Form eines becherartigen Brenners gezeigt, der ein äusseres Gehäuse 54 aufweist, um eine die Brennerverkleidung 56 umgebende Kammer zu bilden. Die Brennerauskleidung 56 enthält mehrere Öffnungen 58 in ihrer Oberfläche, um Gas aus dem äusseren Gehäuse 54 in den Innenraum der Brennerauskleidung 56 eintreten zu lassen. Die Brennerverkleidung 56 kann auch eine übliche Brennerverkleidung (nicht gezeigt) enthalten, damit der

Brenner 16 besser den hohen Temperaturen widerstehen kann, die durch die Verbrennungsreaktion erzeugt werden.

Ein Ring 60 um die Brennerverkleidung 56 herum passt mit einer Nut 62 in einem ringförmigen Halter 64 zusammen, um das Innere der Kammer innerhalb des Aussenge-häuses 54 in eine Brennkammer 66, die Verbrennungsluft durch eine Leitung 25 empfängt, und eine Verdünnungskammer 68 zu unterteilen, die stark verunreinigte, umgewälzte Verdünnungsgase mit einem hohen Prozentsatz an Kohlenstoffdioxid durch eine Leitung 38 empfängt. In den Brenner 16 auf der Leitung 28 eintretender Brennstoff wird mit auf der Leitung 25 eintretender Luft im allgemeinen innerhalb desjenigen Abschnitts der Brennerverkleidung 56 verbrannt, der in dem Verbrennungsraum 66 enthalten ist. Durch richtige Auslegung der Länge der Verbrennungskammer 66 und der Strömungsgeschwindigkeiten und Drucke des Brennstoffes und der Verbrennungsluft kann eine im wesentlichen vollständige Verbrennung des Brennstoffes mit nur etwa 10% Luftüberschuss erreicht werden. Der Rest der Brennerverkleidung 56, der innerhalb des Verdünnungsraums 68 angeordnet ist, lässt die stark verunreinigten Gase in die Verdünnungskammer 68 eintreten, um sowohl zu kühlen als auch ein zusätzliches Arbeitsmittel für die Turbine 18 zu bilden, zu der die Ausströmung des Brenners 16 durch eine Ausgangsdüse 70 austritt. Der Prozentsatz an Kohlendioxid auf der Leitung 38 kann beispielsweise 40% betragen, wobei der Rest der Gase Stickstoff, unverbrannter Sauerstoff und Brennstoff zusammen mit Spurenchemikalien und Elementen von der Luft und Brennstoff ist.

Zwar ist in Figuren 1 und 2 nur ein einzelner Brenner 16 gezeigt, aber für grössere Gasturbinen können auch zwei oder mehr Brenner 16 verwendet werden. In einer typischen grossen Gasturbine 12 kann ein Ring von beispielsweise 12 becherartigen Brennern 16 angeordnet sein, der den Zentralabschnitt der Gasturbine 12 umgibt. Da der Brenner 16, abgesehen von der Unterteilung des Brenners 16 in einen Verbrennungsabschnitt 20 und einen Verdünnungsabschnitt 22 und die getrennte Zufuhr von Verbrennungsluft und Verdünnungsgasen üblich ist, wird eine genauere Beschreibung nicht für erforderlich gehalten.

Gemäss Figur 3 wird Nutzen aus der Tatsache gezogen, dass die aus der Turbine 18 auf der Leitung 29 austretenden Gase immer noch eine grosse Menge an nicht zurückgewonnener thermischer Energie enthalten. Das heisst, die Gase auf der Leitung 29 können eine Temperatur von etwa 540 C (auf 1000 F) und einen Absolutdruck von etwa 10 bar (150 psia) aufweisen. Gemäss Figur 3 enthält der Kühler 30 einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 72, durch den diese heissen Gasen hindurchströmen. Bei ihrem Durchtritt durch den Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 32 bringen diese Gase Wasser in einer Spule 74 zum Sieden, um überhitzten Dampf zu erzeugen, der auf einer Leitung 75 einer Dampfturbine 76 zugeführt wird. Nach ihrem Austritt aus dem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 72 kann das in den Gasen enthaltene Wasser kondensiert und die Gase können weiter gekühlt werden, beispielsweise in einem Sprühkühler 78, bevor sie auf einer Leitung 32 zum Verdichter 14 zurückgeleitet werden. Verbrauchter Dampf aus der Dampfturbine 76 wird auf einer Leitung 80 zu einem Kondensor 82 geleitet, wo der verbrauchte Dampf zu Wasser kondensiert wird. Das Wasser aus dem Kondensor 82 wird .durch eine Pumpe 84 zu einer Spule 74 in dem Wärmerück-gewinnungs-Dampfgenerator 72 gepumpt, wo es wieder in Dampf umgewandelt und zur Dampfturbine 76 zurückgeleitet wird. Zusatzwassser wird dem Dampfturbinensystem vorzugsweise am Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 72 durch eine Leitung 86 zugesetzt.

Die Dampfturbine 76 kann durch eine übliche Welle mit

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der Gasturbine 12 verbunden sein, um für einen zusätzlichen Antrieb des elektrischen Generators 50 zu sorgen, wie es in Figur 3 gezeigt ist, oder alternativ kann sie mit einem getrennten Generator oder einer anderen Last (nicht gezeigt) verbunden sein. Als weitere Alternative kann die Dampftur- 5 bine 76 weggelassen werden, und Dampf aus dem Wärme-rüekgewinnungs-Dampfgenerator 72 kann für seinen ökonomischen Wert in irgendeinem anderen Prozess verwendet werden.

Es kann irgendeine geeignete Einrichtung in dem Koh- 10 lendioxid-Rückgewinnungssytem 42 verwendet werden, wie beispielsweise ein kryogener oder Tieftemperaturprozess. Ein kryogener Prozess ist relativ unwirtschaftlich bezüglich der thermischen Energie, die in der Gasströmung enthalten ist, die von dem Zumessventil 36 zugeführt wird. Ein bevorzug- 15 tes Ausführungsbeispiel für das Kohlenstoffdioxid-Rückge-winnungssystem 42 ist in Figur 4 gezeigt. Die Gase befinden sich in einer Gegenströmung mit einem absorbierenden flüssigen Medium in einem Absorptionsturm 88. Das flüssige Absorptionsmedium kann von irgendeiner geeigneten Art 20 sein, das einen wesentlichen Prozentsatz, von beispielsweise 90%, des Kohlenstoffdioxids in der Gasströmung absorbieren kann. Die übrigen Gase werden nach aussen abgeführt oder einem Trennungsprozess zugeführt, der hier nicht weiter interessiert. Ein geeignetes flüssiges Absorptionsmedium 25 ist eine Lösung von Kaliumcarbonat, das möglicherweise zusätzliche Ingredienten zum Verhindern von Korrosion oder für andere Zwecke enthält. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine 40%ige Lösung von Kaliumcarbonat, die dem Absorptionsturm 88 bei einer Temperatur von etwa 30 120 CC (250 °F) zugeführt wird, wirksam, um bis zu 95% des Kohlendioxids in der Gasströmung zu absorbieren.

Die heissen Gase verlassen das Zumessventil 36 bei einer Temperatur von etwa 315 °C (600 °F) und einem Absolutdruck von etwa 11 bar (160 psia). Bevor sie dem Absorptionsturm 88 zugeführt werden, werden sie auf etwa 120 °C (250 °F) abgekühlt, indem sie durch einen Wärmetauscher 90 geleitet werden. Der Wärmetauscher 90 kann zweckmässigerweise als ein Rekuperator oder Regenator verwendet werden, durch dessen Spule 92 eine gasförmige Brennstoffzufuhr 40 auf ihrem Weg zum Brenner 16 geleitet werden kann. Durch Erwärmen der Brennstoffzufuhr im Wärmetauscher wird ein verbesserter thermodynamischer Wirkungsgrad erhalten, indem die für die Verbrennung erforderliche Wärmemenge vermindert wird, um die Brennstofftemperatur auf die Reak- 45 tionstemperatur zu bringen. Zusätzlich kann das Zusatzwasser zum Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 92 durch eine Spule 94 in dem Wärmetauscher 90 geleitet werden, um das Zusatzwasser für eine zusätzliche Verbesserung des Wirkungsgrades vorzuheizen. 50

Das flüssige Absorptionsmedium verlässt den Absorptionsturm 88 mit etwa dem gleichen Druck, mit dem es eingetreten ist, und mit einer Temperatur von etwa 114 °C (283 °F), wobei seine Temperatur um etwa 20 °C (33 °F) erhöht worden ist durch Wärmeaufnahme von dem Kohlen- 55 dioxid bei dem Durchtritt durch den Absorptionsturm 88. Das mit Kohlendioxid beladene flüssige Absorptionsmedium wird durch ein Expansionsventil 96 geleitet, wo dessen Druck schnell auf einen Wert reduziert wird, der zum Freisetzen des absorbierten Kohlendioxids förderlich ist. Der 60 verminderte Druck, der durch das Expansionsventil 96 erzeugt ist, kann beispielsweise etwa 1,37 bar (19,5 psia) betragen. Das flüssige Absorptionsmedium wird einem Schnellverdampfertank 98 zugeführt, wo ein wesentlicher Teil, beispielsweise ein Drittel, des absorbierten Kohlendioxids auf- 65 grund des verminderten Drucks schnell entspannt wird. Das freigesetzte Kohlendioxid aus dem Schnellverdampfertank 98 wird auf einer Leitung 100 einem üblichen Kühler 102 zu35

geführt, der beispielsweise Wasser als ein Kühlmittel verwendet, wobei die Temperatur auf etwa 38 °C (100 °F) abgesenkt wird. Der Rest des flüssigen Absorptionsmediums, der noch etwa 65% des ursprünglichen absorbierten Kohlendioxids enthält, wird auf einer Leitung 104 einem Abspalt- bzw. Strippertank 106 zugeführt. Eine Einspeisung von Niederdruck-Prozessdampf wird von einer Zwischenstufe der Dampfturbine 76' bei einem Absolutdruck von beispielsweise etwa 3,5 bar (50 psia) abgezapft und auf einer Leitung 108 dem Strippertank 106 zugeführt, wo er das darin flüssige Absorptionsmedium auf etwa 120 °C (250 T) erhitzt, um das gesamte, abgesehen von einigen wenigen Prozent, Kohlendioxid freizusetzen, das noch darin enthalten ist. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verbraucht der Abspaltvorgang in dem Strippertank 106 etwa 450 g Dampf pro 3,45 x 28 dm3 zurückgewonnenem Kohlendioxid. Es können auch wirksamere flüssige Absorptionsmittel oder Mittel verwendet werden, die die Freisetzung des absorbierten Kohlendioxids bei vermindertem Dampfbedarf gestatten, verwendet werden.

Das zurückgewonnene Kohlendioxid aus dem Strippertank 106 wird auf einer Leitung 110 dem Kühler 102 zugeführt. Der Kühler 102 kühlt das Kohlendioxid auf einen gesättigten Dampf bei etwa 38 °C (100 °F). Das Kühlwasser aus dem Kühler 102 wird zum Strippertank 106 zurückgeleitet. Eine weitere Verarbeitung des Kohlendioxids hängt von der vorgesehenen Verwendung ab. Wenn das Kohlendioxid beispielsweise für eine Verwendung in einer tertiären Ölrück-gewinnung bestimmt ist, wird es vorzugsweise verdichtet für eine Injektion in einen Ölbehälter oder für eine Zwischenstufe. Für diese Verwendung wird das Kohlendioxid auf einer Leitung 112 einem Verdichter 114 zugeführt, wo es auf beispielsweise etwa 140 bar (2000 psia) verdichtet wird. Der Verdichter 114 ist vorzugsweise ein vielstufiger Verdichter mit beispielsweise fünf Stufen, wobei eine Zwischenstufenkühlung zwischen den Stufen vorgesehen ist. Die Zwischenstufenkühlung vermindert die Feuchtigkeit in dem Kohlendioxid, das auf einer Ausgangsleistung 116 geliefert wird, auf einen Wert, der genügend niedrig ist, damit keine zusätzliche Trocknung erforderlich ist.

Die Energie zum Antrieb des Verdichters 114 kann aus irgendeiner geeigneten Quelle erhalten werden, beispielsweise von einem Motor oder einer Dampfturbine, die mit Dampf aus dem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 72 beliefert wird. Wenn dies der Fall ist, kann der im Strippertank 106 erforderliche Prozessdampf von einer Zwischenstufe der Dampfturbine erhalten werden. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in Figur 4 gezeigt ist, wird Nutzen aus der Tatsache gezogen, dass eine wesentliche Menge unverbrauchter Energie in den nicht-absorbierten Gasen, vorwiegend Stickstoff und Sauerstoff, verfügbar ist, von denen das Kohlendioxid in dem Absorptionsturm 88 entnommen ist. Die Energie dieser Gase, die eine Temperatur von etwa 120 QC (250 °F) und einen Absolutdruck von etwa 11 bar (156 psia) haben, passt genau exakt zu der Energie, die zum Antrieb des Verdichters 114 erforderlich ist. Die nicht-absor-bierten Gase werden auf einer Leitung 118 einer Expansionsturbine 120 zugeführt, die mit einem vielstufigen Verdichter durch irgendeine geeignete mechanische Verbindung, die durch eine Verbindungslinie 122 dargestellt ist, verbunden sein kann. Die Ausströmung aus der Expansionsturbine 120 wird über eine Leitung 124 einer Entlüftung zur Atmosphäre oder einem weiteren Trennungs- und Speicherprozess (nicht gezeigt) zugeführt, die hier an sich keine Rolle spielen und deswegen nicht weiter erläutert werden.

Es kann vorkommen, dass die in den nicht absorbierten Gasen aus dem Absorptionsturm 88 verfügbare Leistung nicht exakt mit den Leistungsanforderungen des vielstufigen

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Verdichters 114 zusammenpasst. Unter diesen Umständen benötigt der vielstufige Verdichter 114 weniger Leistung als verfügbar ist. Um die erforderliche Leistung anzupassen, muss ein wesentlicher Teil der nicht-absorbierten Gase nach aussen abgeführt werden, ohne dass Nutzen aus der darin enthaltenen Energie gezogen wird. Ein Weg, um dem System zusätzliche Flexibilität zu geben, besteht in der Verwendung einer Expansionsturbine in der Weise, dass diese entweder Elektrizität erzeugt oder Elektrizität substituiert und dass der vielstufige Verdichter 122 mit einem Elektromotor (nicht gezeigt) angetrieben wird. Beispielsweise kann die Expansionsturbine 120 tandemartig mit dem Motor 26 verbunden sein, um die Verdichtung von Luft in dem Luftverdichter 24 zu unterstützen. Die durch den Motor 26 nicht verbrauchte Elektrizität kann zur Speisung des den vielstufigen Verdichter 114 antreibenden Motors verwendet werden, und irgendwelche überschüssige Elektrizität kann verkauft oder verwendet werden.

Wenn der eine Gasturbine enthaltende chemische Prozessor 10 in einer teritären Ölwiedergewinnung wiederverwendet wird, wird das verdichtete Kohlendioxid in einen Injektionsbehälter oder Injektionsschacht oder eine Reihe von Injektionsschächten injiziert, die im Abstand von vorgesehenen Wiedergewinnungsschächten angeordnet sind. Das Kohlendioxid beginnt sich in Richtung auf die Wiedergewinnungsschächte zu bewegen, wobei das Öl in die davor liegenden Gebirgsschichten gedrückt wird. Zunächst zeigen die Wiedergewinnungsschächte keine Änderung in Ihrer Öllieferung. Nach einer Anfangsperiode, die von wenigen Wochen bis zu einem Jahr oder mehr dauern kann, zeigt sich eine verstärkte Wiedergewinnung von Öl. Während der Anfangsperiode liegt die einzige Möglichkeit, in das System investiertes Kapital zurückzuerhalten, in dem Wert der Elektrizität, die durch den elektrischen Generator 50 erzeugt wird. Somit besteht wenigstens in der Anfangsperiode ein wirtschaftlicher Anreiz, soviel Elektrizität wie möglich zum Verkauf oder zur Verwendung zu erzeugen. Die Erzeugung von Elektrizität steht im Wettbewerb mit der Kohlenstoffdioxiderzeugung für Dampf aus dem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenera-tor 72. Das heisst, die Umleitung von Prozessdampf von der Dampfturbine 76' für eine Verwendung in dem Kohlendi-oxid-Wiedergewinnungsprozess im Strippertank 106 vermindert den Dampf, der zum Antrieb der Dampfturbine 76' zur Erzeugung von Elektrizität im Generator 50 zur Verfügung steht.

Um das Dampferzeugungsvermögen zu verbessern und um auch die Erzeugung von Kohlendioxid zu vergrössern, verwendet das in Figur 5 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Wärmerückgewinnungsbrennner 126, um dem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 72 Wärme zuzuführen. Für einen grössten Wirkungsgrad kann der Wärmerückgewinnungsbrenner 126 in einen Verbrennungsabschnitt 126 und einen Verdünnungsabschnitt 130 unterteilt werden, die funktional den entsprechenden Elementen des Brenners 16 in diesem und den vorhergehenden Ausführungsbeispielen analog ist. Der Verbrennungsabschnitt 128 erhält Brennstoff auf einer Zweigleitung 28' und Verbrennungsluft, die durch ein Gebläse 131 verdichtet ist, auf einer Leitung 133. Eine Kühlung und Verdünnung der Verbrennungsprodukte von dem Verbrennungsabschnitt 128 wird dadurch herbeigeführt, dass ein Teil des umgewälzten, koh-lenstoffdioxidreichen Gases aus dem Wärmerückgewin-nungs-Dampfgenerator 72, möglicherweise durch ein Gebläse 35 unterstützt, in den Verdünnugsabschnitt 130 injiziert wird. Wenn die an Kohlendioxid reiche Ausströmung aus dem Wärmerückgewinnungsbrenner 126 seine Wärmeenergie verbraucht hat, indem die Erzeugung von zusätzlichen Dampf in dem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 72

verstärkt wird, verbindet sie sich mit den umgewälzten Gasen, die dem Sprühkühler 78 zugeführt werden, und verbleibt somit in dem System.

In einigen Anwendungsfällen kann der Wärmerückgewinnungsbrenner 126 ein mehr übliches System verwenden, im dem nur Luft und Brennstoff zugeführt werden sowohl für eine Verbrennung als auch eine Verdünnung, ohne dass die in ihrer Brauchbarkeit beeinträchtigten umgewälzten Gase verwendet werden.

Obwohl in Figur 5 nur ein einzelner Wärmerückgewinnungsbrenner 126 gezeigt ist, so wird deutlich, dass zusätzliche Wärme auch durch mehrere Wärmerückgewinnungsbrenner 126 für eine Verwendung in grossen Systemen erzeugt werden kann.

In dem späteren Wiedergewinnungsprozess kann die Erzeugung von Öl in den Wiedergewinnungsschächten durch das Kohlendioxid verstärkt werden, das in die Injektionsschächte eingeführt wird. Eventuell schliesst ein Teil des Kohlendioxids den Kreis und erscheint in den Rückgewinnungsschächten. Wenn der Brennstoff, der durch den eine Gasturbine enthaltenden chemischen Prozessor 10 verwendet wird, ein Erdgas ist, das aus den Wiedergewinnungsschächten erhalten wird, beginnt der den Verbrennungsabschnitten 20 und 128 zugeführte Brennstoff zunehmende Anteile an Kohlendioxid aufzuweisen. Da die Ausströmung aus den Verbrennungsabschnitten 20 und 128 nun einen erhöhten Anteil an Kohlendioxid enthält, nimmt die Menge an Kohlendioxid ab, die in die Verdünnungsabschnitte 22 und 130 injiziert werden muss. Das Zumessventil 36 kann deshalb betätigt werden, um die Menge an umgewälzten Gasen zu vermindern, die den Verdünnungsabschnitten 22 und 130 zugeführt werden, und die Menge zu vergrössern, die dem Koh-lendioxid-Rückgewinnungssystem zugeführt wird. Die erhöhte Menge an Kohlendioxid, die in dieser späteren Stufe zurückgewonnen werden muss, stellt selbstverständlich erhöhte Forderungen für Prozessdampf für eine Verwendung in dem Strippertank 106 an den Dampf aus dem Wärmege-winnungs-Dampfgenerator 72, der der Dampfturbine 76' zugeführt wird. Um das Erfordernis für zusätzlichen Dampf zu erfüllen, wird die Dampfmenge, die Ihre Expansion auf Atmosphärendruck auf der Leitung 80 abschliesst, proportional vermindert. Diese Proportionalität vermindert die gesamte Ausgangsleistung, die durch den Generator 50 erzeugt wird. In dieser späteren Stufe in dem tertiären Ölrückgewin-nungsprozess kann der verkleinerte Wert an erzeugter Elektrizität mehr als kompensiert werden durch das erzeugte zusätzliche Öl und Kohlendioxid, so dass diese Stufe eine Zeit einer Spitzenrückzahlung von investiertem Kapital darstellt.

Der wirtschaftliche Wert an gelieferter Elektrizität und chemischem Ausstoss der Einrichtung gemäss der Erfindung kann von Zeit zu Zeit schwanken, so dass die Möglichkeit der Elektrizitätserzeugung den Wert der chemischen Produkte ausgleichen kann. Aufgrund der vorstehenden Ausführungen wird deutlich, dass die Erzeugung chemischer Produkte Energie verbraucht und deshalb die Elektrizität vermindert, die erzeugt werden kann. Um die Erzeugung von Elektrizität zu maximieren, kann jedes hier beschriebene Ausführungsbeispiel nach Wahl als ein offenes System betrieben werden, vorausgesetzt, dass die Umweltbedingungen dieses gestatten. Beispielsweise kann das Ausführungsbeispiel gemäss Figur 1 in ein offenes System umgewandelt werden, indem die in Figur 6 gezeigten Abwandlungen vorgenommen werden, wobei X eine Sperrung der angegebenen Leitungen und gestrichelte Linien neue Verbindungen angeben. Eine derartige Abwandlung des Systems kann auf einfache Weise durch übliche Ventile vorgenommen werden. In Ausführungsbeispielen mit einem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator wird eine Entlüftung bzw. Gasableitung vorzugsweise stromab-

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wärts von dem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator den kann, die in der Ausströmung der Gasturbine verbleibt,

durchgeführt, so dass Nutzen aus der Energie gezogen wer-

C

3 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Einrichtung zur chemischen Erzeugung von Kohlendioxid, gekennzeichnet durch ein Gasturbinenaggregat (12) mit einem Verdichter (14), einer Brennkammer (16) und einer Gasturbine (18), Mittel zum Koppeln der Gasturbine (18) zwecks Antriebs des Verdichters (14) und einer Last (50), Trennmittel (60-64), die in der Brennkammer (16) einen Verbrennungsabschnitt (20) von einem Verdünnungsabschnitt (22) trennen, Mittel (28) zum Zuführen von Brennstoff und Mittel (24) zum Einspeisen von Druckluft in den Verbrennungsabschnitt (20), Mittel (34—38) zum Zuführen einer ersten Teilmenge des aus dem Verdichter (14) austretenden Gases in den Verdünnungsabschnitt (22), Mittel (30) zum Kühlen des aus der Gasturbine (18) austretenden Gases und zum Zuführen dieses gekühlten Gases zum Verdichter (14), so dass ein Kreislauf (14, 16, 18, 30, 36) gebildet ist, ein chemisches Gewinnungssystem (42) zum Gewinnen von wenigstens Kohlendioxid aus einer zugeführten Gasströmung und Mittel (36, 40) zum Zuführen einer zweiten Teilmenge des aus dem Verdichter (14) austretenden Gases zum chemischen Gewinnungssystem (42) in einer Grösse, die den Stoffbestand im Kreislauf im wesentlichen konstant hält.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einspeisen von Druckluft einen Luftverdichter (24) aufweisen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein äusseres Gehäuse (54) der Brennkammer, ein darin angeordnetes Flammrohr (56) mit einer Mehrzahl von Öffnungen (58) für den Eintritt der Druckluft und von aus dem Verdichter austretenden Gas, einen zwischen dem Gehäuse (54) und dem Flammrohr (56) angeordneten Raum, der durch die Trennmittel (60-64) in einen Brennraum (66) und einen Verdünnungsraum (68) unterteilt ist, und Mittel zum getrennten Zuführen der Druckluft in den Brennraum (66) einerseits und der ersten Teilmenge in den Verdünnungsraum (68) andererseits, derart, dass die Funktionen der Druckluft als Verbrennungsluft und der ersten Teilmenge als Verdünnungsgas getrennt sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (36, 40) zum Zuführen der ersten Teilmenge zum chemischen Gewinnungssystem (42) ein Zumessventil (36) aufweisen, das die Grössen der beiden Teilmengen steuert.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Last ein elektrischer Generator (50) ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittel einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (72) zum Antreiben einer Dampfturbine (76) aufweisen,

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Koppeln der Dampfturbine (76) mit dem elektrischen Genertator (50) zum gemeinsamen Antrieb durch das Gasturbinenaggregat (12) vorgesehen sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (28) zum Zuführen von Brennstoff einen Wärmetauscher (90) umfassen, in dem Wärme von dem im Kreislauf enthaltenen Gas auf den Brennstoff übertragbar ist.

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 6 und 8.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (90) Mittel (94) zum Übertragen von Wärme von der zweiten Teilmenge auf Zusatzwasser für den Wärmerückgewinnungs- Dampfgenerator (72) aufweist.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmerückgewinnungs-Brennkammer (126) zum Zuführen von Wärme und Dampf enthält.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Mittel, die in der Wärmerückgewinnungs-Brennkammer (126) einen Verbrennungsabschnitt (128) von einem Verdünnungsabschnitt (130) trennen, Mittel (28', 133) zum Zuführen 5 von Brennstoff und Druckluft zu diesem Verbrennungsabschnitt (128), Mittel zum Zuführen des austretenden Gases eines Gebläses (135) zum Verdünnungsabschnitt (130), und Mittel (28') zum Zuführen des Abgases der Wärmerückgewinnungs -Brennkammer (120) zum Gas im Kreislauf. IC

13. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Gewinnungssystem (42) einen Absorptionsturm (88) mit Mitteln zum Absorbieren von Kohlendioxid aus der zweiten Teilmenge in ein flüssiges Absorptionsmedium zum Freisetzen eines wesentlichen Teils des 15 Kohlendioxids, und Mittel (114) zum Verdichten des im Entspannungstank (98) freigesetzten Kohlendioxids aufweist.

14. Einrichtung nach den Ansprüchen 6 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Gewinnungssystem (42) ferner einen Abspalt- bzw. Strippertank (106) aufweist, der

20 zusätzliches Kohlendioxid aus dem flüssigen Absorptionsmedium zurückgewinnt, und dass die Dampfturbine (76) Mittel aufweist zur Lieferung von Niederdruck-Prozess-dampf zum Abspalt- bzw. Strippertanlc(106).

15. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 5, gekenn-25 zeichnet durch Mittel zum selektiven Betätigen des Gasturbinenaggregats (12) zum Maximieren der Erzeugung von Elektrizität.