DE10162833A1 - Halbgeschlossener Kreisprozess zur Energiegewinnung aus der inneren Verbrennung eines Brennstoffes sowie Vorrichtung zur Durchführung des Kreisprozesses - Google Patents

Halbgeschlossener Kreisprozess zur Energiegewinnung aus der inneren Verbrennung eines Brennstoffes sowie Vorrichtung zur Durchführung des Kreisprozesses

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Abstract

Bei einem halbgeschlossenen Kreisprozess (14) zur Energiegewinnung aus der inneren Verbrennung eines Brennstoffes wird effiziente Austragung von Kohlendioxid dadurch erreicht, dass eine Mischung aus Kohlendioxid, Wasserdampf und O¶2¶ als rezirkuliertes Arbeitsmedium in einer oder mehreren Stufen komprimiert und gekühlt wird, dass das Arbeitsmedium dann Feuchtigkeit aufnimmt, dass weiterhin die Temperatur des Arbeitsmediums durch einen inneren Verbrennungsvorgang mit einem Brennstoff erhöht wird, dass das Arbeitsmedium dann unter Arbeitsleistung expandiert wird, dass das Arbeitsmedium nach der Expansion heruntergekühlt wird, dass anschließend aus dem Arbeitsmedium durch Kondensation Wasser ausgeschieden wird, dass weiterhin aus dem Arbeitsmedium überschüssiges Kohlendioxid und überschüssiger Dampf entnommen wird, und dass schließlich das Arbeitsmedium wieder zur Kompression zurückgeführt wird.

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Energiegewinnung. Sie betrifft einen halbgeschlossenen, feuchten Kreisprozess.
    • STAND DER TECHNIK
  • Auf dem Gebiet der Energiegewinnung durch Verbrennung von fossilen Brennstoffen bereitet der damit verbundene Anfall von Kohlendioxid zunehmend Probleme, weil hierdurch der Treibhauseffekt unterstützt und eine nicht gewünschte zunehmende Erwärmung der Erdatmosphäre herbeigeführt wird.
  • Es ist daher wünschenswert, für die Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen Kreisprozesse zur Verfügung zu stellen, die eine wirksame Entfernung des entstehenden Kohlendioxids ermöglichen.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen solchen Kreisprozess zu schaffen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Kreisprozesses anzugeben.
  • Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 7 gelöst.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 und 8 bis 10 beschrieben.
  • KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUR
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die einzige Figur zeugt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Kreisprozesses nach der Erfindung in Form eines schematisierten Anlagenplanes.
    • WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Der halbgeschlossene, feuchte CO2-Turbinenkreisprozess 14 gemäss dem Ausführungsbeispiel der Figur ist ein Prozess mit innerer Verbrennung und Rezirkulation des Arbeitsmediums ähnlich wie der bekannte HAT-Kreisprozess (HAT = Humid Air Turbine; siehe z. B. die US-A-5,349,810). Er eröffnet die Möglichkeit, Kohlendioxid aus einem fortschrittlichen Gasturbinen-Kreisprozess mit grosser Effizienz und hoher Leistungsdichte einzufangen.
  • In dem Anlagenschema der Figur sind zwei verschiedene Kreisläufe für das gasförmige Arbeitsmedium und das Wasser miteinander verknüpft, nämlich der Gaskreislauf und der Wasserkreislauf:
    • Gaskreislauf
  • Das rezirkulierte Arbeitsmedium (Gas), eine Mischung aus Kohlendioxid, Wasserdampf und O2, wird zunächst mittels Kompressoren 1a, 1b und nachgeschalteten Kühlern 2a, 2b in einer oder mehreren Stufen komprimiert und gekühlt. Das Arbeitsmedium wird dann durch eine Sättigungsvorrichtung 3 geführt, wo das hereinkommende Gas erwärmt wird und Feuchtigkeit aufnimmt. Nach dem Durchströmen eines rekuperativen Wärmetauschers 4 wird das feuchte Gas zu einer Brennkammer 5 geleitet, wo seine Temperatur durch einen inneren Verbrennungsvorgang mit einem Brennstoff ("Fuel") auf die gewünschte Einlasstemperatur für die nachfolgende Turbine 6 weiter erhöht wird. Das Arbeitsmedium (Gas) wird dann in der Turbine 6 unter Arbeitsleistung expandiert. Die Turbine 6 muss dabei möglicherweise gekühlt werden. Die aus der Turbine 6 austretenden heissen Gase werden in dem rekuperativen Wärmetauscher 4 und in einem Nachkühler 7 heruntergekühlt. In einem Kondenser 8 wird Wasser ausgeschieden und mittels einer Pumpe 16 in den weiter unten beschriebenen Wasserkreislauf eingespiesen. Ueberflüssiges Wasser ("Surplus water") kann hinter der Pumpe 16 entnommen werden. An einer Abzweigvorrichtung 9 wird überschüssiges Kohlendioxid ("Surplus CO2") und überschüssiger Dampf entnommen, bevor der Gaskreislauf mit der Rückleitung zum Kompressor 1a geschlossen wird. Dampf/Wasser wie auch O2 können leicht aus dem überschüssigen CO2/Dampf durch Kompression und Zwischenkühlung entfernt werden. Sauerstoff wird im Beispiel auf den Eingang des ersten Kompressors 1a gegeben.
  • Wasserkreislauf
  • Ein Anteil des kondensierten Wassers wird rezirkuliert und für die Kühlung des Arbeitsmediums in den Kühlern 2a, 2b verwendet. Das Wasser wird dann in einer ersten Mischvorrichtung 10 mit einem Teil des von der Sättigungsvorrichtung 3 zurückkommenden Wassers gemischt, bevor es in den Nachkühler eintritt. Ein Teil des aus dem Nachkühler 7 austretenden Wassers kann in einer Einspritzvorrichtung 11 in den vom Wärmetauscher 4 kommenden Kühlstrom für die Turbine 6 eingespritzt werden, um geeignete Kühltemperaturen zu erhalten. Der andere Teil wird in einer zweiten Mischvorrichtung 12 mit dem Rest des Wassers gemischt, welches von der Kühlung des komprimierten Arbeitsmediums zurückkommt. Die Mischung wird dann zur Sättigungsvorrichtung 3 geführt, wo das Wasser abgekühlt und teilweise verdampft wird. Ein reduzierter Massenfluss an Wasser verlässt die Sättigungsvorrichtung 3 und wird mittels einer Pumpe 15 zu einer Aufteilvorrichtung 13 gepumpt, wo es für die Zwischenkühlung (Kühler 2a, b) und die Nachkühlung (Nachkühler 7) aufgeteilt wird.
  • Der in der Figur dargestellter Kreisprozess kann im Rahmen der Erfindung auf verschiedene Weise modifiziert werden:
    • - Die Brennkammer 5 kann teilweise oder ganz durch eine Brennstoffzelle ersetzt werden.
    • - Die Turbine 6 kann durch eine andere Art von Gasexpansionseinrichtung ersetzt werden.
    • - Der Strom zur Kühlung der Turbine/Gasexpansionseinrichtung kann aus dem Kreisprozess an unterschiedlichen Stellen entnommen werden, um die erforderlichen Temperaturen zu erreichen. Eine Wasser/Dampf-Kühlung (auch indirekt) ist ebenfalls möglich.
    • - Sauerstoff für die Verbrennung kann an verschiedenen Stellen in den Kreisprozess eingegeben werden. Es kann durch eine beliebige Art von Luftzerlegungsanlage bereitgestellt werden, die ebenfalls in den Kreisprozess integriert werden kann.
    • - Eine Rezirkulationsschleife kann dazu benutzt werden, die Kondensation des Arbeitsmediums zu verhindern, wenn es vor dem Eintritt in die Sättigungsvorrichtung gekühlt wird.
    • - Das rezirkulierte Wasser und das Rückwasser aus der Sättigungsvorrichtung kann auf unterschiedliche Weise zur Kühlung, zur Zwischenkühlung und zur Nachkühlung etc. verwendet werden.
    BEZUGSZEICHENLISTE 1a, b Kompressor
    2a, b Kühler
    3 Sättigungsvorrichtung
    4 Wärmetauscher (rekuperativ)
    5 Brennkammer (Brennstoffzelle)
    6 Turbine (Gasexpansionseinrichtung)
    7 Nachkühler
    8 Kondenser
    9 Abzweigvorrichtung (CO2/Dampf)
    10, 12 Mischvorrichtung
    11 Einspritzvorrichtung
    13 Aufteilvorrichtung
    14 Kreisprozess
    15, 15 Pumpe

Claims (10)

1. Halbgeschlossener Kreisprozess (14) zur Energiegewinnung aus der inneren Verbrennung eines Brennstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischung aus Kohlendioxid, Wasserdampf und O2 als rezirkuliertes Arbeitsmedium in einer oder mehreren Stufen komprimiert und gekühlt wird, dass das Arbeitsmedium dann Feuchtigkeit aufnimmt, dass weiterhin die Temperatur des Arbeitsmediums durch einen inneren Verbrennungsvorgang mit einem Brennstoff erhöht wird, dass das Arbeitsmedium dann unter Arbeitsleistung expandiert wird, dass das Arbeitsmedium nach der Expansion heruntergekühlt wird, dass anschliessend aus dem Arbeitsmedium durch Kondensation Wasser ausgeschieden wird, dass weiterhin aus dem Arbeitsmedium überschüssiges Kohlendioxid und überschüssiger Dampf entnommen wird, und dass schliesslich das Arbeitsmedium wieder zur Kompression zurückgeführt wird.
2. Kreisprozess nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansion des Arbeitsmediums in einer Turbine (6) durchgeführt wird.
3. Kreisprozess nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff in einer Brennkammer (5) verbrannt wird.
4. Kreisprozess nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium vor der Erwärmung durch den inneren Verbrennungsvorgang vorgewärmt wird.
5. Kreisprozess nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff für die innere Verbrennung an einer Stelle des Kreisprozesses von aussen in das Arbeitsmedium eingespeist wird.
6. Kreisprozess nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das durch Kondensation ausgeschiedene Wasser zur Kühlung, Zwischenkühlung und Nachkühlung sowie zur Befeuchtung des Arbeitsmediums verwendet wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Kreisprozesses nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die strömungsmässige Hintereinanderschaltung wenigstens eines Kompressors (1a, 1b) mit einem nachgeschalteten Kühler (2a, 2b), einer Sättigungsvorrichtung (3), einer Vorrichtung (5) zur inneren Verbrennung eines Brennstoffes, einer Gasexpansionseinrichtung (6), einem Nachkühler (7) und einem Kondenser (8), dessen Ausgang mit dem Eingang des wenigstens einen Kompressors (1a, 1b) in Verbindung steht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein rekuperativer Wärmetauscher (4) vorgesehen ist, in dem das Arbeitsmedium vor Eintritt in die Verbrennungsvorrichtung (5) vorgewärmt und nach Austritt aus der Gasexpansionseinrichtung (6) abgekühlt wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kühler (2a, 2b), die Sättigungsvorrichtung (3) und der Nachkühler (7) an einen gemeinsamen Wasserkreislauf angeschlossen ist, welcher mit dem Kondenser (8) in Verbindung steht.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsvorrichtung als Brennkammer (5) und die Gasexpansionseinrichtung als Turbine (6) ausgebildet sind.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4021097A1 (de) * 1990-07-02 1992-01-09 Siemens Ag Brennstoffzellen-kraftwerk
DE4407619C1 (de) * 1994-03-08 1995-06-08 Entec Recycling Und Industriea Verfahren zur schadstoffarmen Umwandlung fossiler Brennstoffe in technische Arbeit

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