DE102004059358A1

DE102004059358A1 - Verfahren zur Auskoppelung der Wärme zur Erzielung eines hohen Kraftwerkswirkungsgrades

Info

Publication number: DE102004059358A1
Application number: DE102004059358A
Authority: DE
Inventors: Paul Prof. Dr. Gilli
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2004-12-01
Publication date: 2005-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auskoppelung der Wärme zur Erzielung eines hohen Kraftwerkswirkungsgrades bei einem CO¶2¶-emissionsfreien Kraftwerk nach dem Oxyfuelprozess, bei dem mit O¶2¶ statt Luft als Sauerstoffträger ein Dampfprozess betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat aus dem Kondensator, welcher vom Abdampf (15) aus der Turbine gespeist wird, zuerst durch die Abwärme des Rauchgaskondensators vorgewärmt und anschließend weiteren Wärmeübertragern mit jeweils höherer Temperatur zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auskoppelung der Wärme zur Erzielung eines hohen Kraftwerkswirkungsgrades bei einem CO₂-emissionsfreien Kraftwerk nach dem Oxyfuelprozess.

Als Oxyfuel-Prozess wird ein Prozess bezeichnet, der bei der Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes als Endprodukt einen weitgehend reinen Kohlendioxidstrom unter anderen dadurch erzeugt, dass die Verbrennung mit reinem Sauerstoff durchgeführt wird.

Die Abscheidung von weitgehend reinen Kohlendioxid wird vielfach angestrebt, um das Kohlendioxid in weiteren Prozessen nutzen oder um es speichern bzw. deponieren zu können. Um Kohlendioxid leichter abscheiden zu können, ist ein hoher CO₂-Partialdruck im Rauchgasstrom von Vorteil. Neben dem CO₂ ist üblicherweise Stickstoff zu einem hohen Anteil in den Rauchgasen enthalten, welcher mit der Verbrennungsluft und zu einem geringen Teil auch durch den Brennstoff in den Prozess eingebracht wurde. Auf dem Weg zu einem fast reinen CO₂-Strom als Rauchgas ist es daher hilfreich, wenn zunächst der Stickstoff eliminiert wird.

Beim Oxyfuel-Prozess wird mittels einer Luftzerlegungsanlage aus der Verbrennungsluft der Stickstoff extrahiert und nur ein Sauerstoffstrom mit einer hohen Reinheit geht in den Verbrennungsprozess ein. Dies führt zu einem um ca. 75% kleineren Rauchgasmassenstrom, der Normvolumenstrom verringert sich auf etwa ein Sechstel des ursprünglichen Wertes (Verbrennungsrechnung).

Damit ist der zu behandelnde Rauchgasstrom wesentlich verringert, was an sich zu einer Verkleinerung und Vereinfachung der Anlagen zur Kohlendioxidanreicherung führt. Weiterhin ist die Abtrennung der meisten Störstoffe vom CO₂ einfacher als die Abtrennung von CO₂ aus einem stickstoffdominierten Rauchgas. Wasser kann auskondensiert werden, nach einigen weiteren Reinigungsschritten steht hochkonzentriertes Kohlendioxid zur Verfügung.

Bei einem CO₂-emissionsfreien Kraftwerk nach dem Oxyfuelprozess treten eine Reihe von Wärmen bei niedrigen Temperaturen auf. Es ist dies einerseits die Kondensationswärme des Wasserdampfes (um diesen vom CO₂ abzuscheiden) bzw. die bei der entsprechenden Abkühlung des Rauchgases anfallende Wärme. Es ist dies andererseits die Kompressionswärme sowohl in der Luftzerlegungsanlage (falls diese wie vielfach nach einem kryogenen Prozess erfolgt) bzw. die Abwärme aus dem Kompressor der CO₂-Kopression. Es geht nun darum, diese Wärmen wenn möglich noch im Kraftwerksprozess zu nutzen.

Diese Frage der optimalen Auskopplung der Wärme ist laut derzeitigen Stand der Technik noch nicht hinreichend gelöst. So zeigt beispielsweise die Veröffentlichung „Large Scale CO₂ Capture–Applying the Concept of O₂/CO₂ Combustion to Commercial Process Data" (Andersson, Johnsson, Strömberg) VGB Power Tech 10, 2003 ein Abführen vieler Niedertemperaturwärmen nach außen, das heißt außerhalb des Kraftwerksprozesses (offensichtlich indem man diese Wärme an die Umgebung abgibt oder allenfalls für Niedertemperaturprozesse außerhalb des Kraftwerkes, falls Abnehmer vorhanden sind, nützt). Es liegt offensichtlich auch für den Fachmann nicht nahe, das erfindungsgemäße Verfahren bei einem CO₂-emissionsfreien Kraftwerk nach dem Oxyfuelprozess anzuwenden.

Dementsprechend ist der Nettowirkungsgrad des Kraftwerkes laut der genannten Veröffentlichung 34 %.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, den Nettowirkungsgrad eines Kraftwerkes zu steigern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass man mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einen wesentlich höheren Wirkungsgrade und zwar bis zu 41 % erzielen kann. Es ist also dass nachfolgend noch näher beschriebene erfindungsgemäße Verfahren eine sehr wesentliche Möglichkeit, den Oxyfuelprozess wirtschaftlich zu machen.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Wärmeauskoppelung aus dem Oxyfuelprozess
2 eine schematische Darstellung des Prinzips eines Oxyfuelprozesses
1 zeigt eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wärmeauskopplung in einem nach dem Oxyfuelprozess arbeitenden Kraftwerk.
Die Wärme, die bei der Kondensation des Wasserdampfes aus dem Rauchgas (zwecks Abtrennung des Wasserdampfes vom CO₂) anfällt, ist eine auf jedem Fall anfallende Abwärme, deren Nutzung keinen thermodynamischen Aufwand bedeutet (außer der Energie zum Antrieb der erforderlichen Hilfsaggregate). Gemäß der Erfindung wird diese Wärme zuerst zu verwenden, was dadurch geschieht, dass das Kondensat aus dem Kondensator mit dieser Abwärme soweit wie möglich in einem Rauchgaskondensator 2 mit relativ geringer Grädigkeit vorgewärmt wird.
Eine weitere Erwärmung des Kondensates kann in weiteren Wärmeübertragern zur Nutzung von weiteren Kraftwerksabwärmern etwas höherer Temperatur als die der genannten Rauchgaskondensation erfolgen.
Die Abwärmen des Kompressors der Luftzerlegungsanlage und des Kompressors der CO₂-Verdichtung können einerseits dadurch abgeführt werden, dass mit Kältequellen aus der Umgebung, dass heißt letztlich mit Kühlwasser 14 aus dem Kühlturm oder Fluss bzw. Meerwasser gekühlt wird (Kühler 10 und 6), wobei dann allerdings diese Wärmen nach dem Stand der Technik verloren gehen. Es ist jedoch erfindungsgemäß möglich, diese Wärme zu nutzen, indem man die Kompressorkühlung auf einem höheren Temperaturniveau stattfinden lässt und dafür eine etwas höhere Kompressorleistung in kauf nimmt. Man kann dann die Abwärmen, jeweils zumindest teilweise, sowohl entweder nur beim Kompressor der CO₂-Anlage (Vorwärmer 5) oder nur beim Kompressor der Luftzerlegungsanlage (Vorwärmer 9) oder auch bei beiden nutzen (Vorwärmer 5 und 9) und zwar dann vorzugsweise so, dass in etwa gleiche Temperaturen des vorzuwärmenden Speisewassers erzielt werden. Das Verfahren sieht also vor, dass jeweils Teilströme des bereits im Wasserdampfkondensator vorgewärmten Speisewassers nun zu folgenden Wärmetauschern geführt werden:

– zur Kühlung des CO₂-Kompressors 5
– und/oder zur Kühlung des Kompressors der Luftzerlegungsanlage 10
– und/eventuell auch zur Vorwärmung eines Teilkondensators durch Anzapfdampf 8.

Ein weiterer Teilstrom dient zur Kühlung des Rauchgases bevor es in den Kondensator zur Wasserdampfabscheidung eintritt (Vorwärmer 1) (das Rauchgas hat ja in diesem Fall eine noch höhere Temperatur als im Kondensator).
Vorzugsweise wird das Speisewasser in all diesen 3–4 Wärmeübertragern in etwa gleicher Temperatur geführt, wobei die Regelung der Teilströme so erfolgt, dass gleiche Austrittstemperaturen angestrebt werden.
Die genannte Abkühlung des CO₂ bzw. der Luft in den Kompressoren kann wegen der nunmehr höheren Eintrittstemperaturen der Kondensatströme in 5 und 9 nicht mehr auf sehr niedrige Temperaturen, d.h. auf fast Umgebungstemperatur erfolgen und es ist deshalb ein weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, diesen oben genannten Wärmetauschern jeweils einen weiteren Wärmetauscher 6 und 10 nachzuschalten, der die Luft der Luftzerlegungsanlagen bzw. das CO₂ für die CO₂-Kompressoren mittels Kühlwasser auf noch niedrigere Temperaturen abkühlt.

1: rauchgasbeheizter Vorwärmer
2: Rauchgaskondensator
3: Abdampf aus Turbine
4: CO₂-Verdichter
5: mit Kompressionswärme aus 4 beheizter Vorwärmer
6: Kühler für verdichtetes CO₂ mit Kühlwasser
7: Kondensator der Turbine
8: Regenerativvorwärmer
9: Vorwärmer mit Abwärme aus Luftzerlegung
10: Kühler für die Luftzerlegung mit Kühlwasser
11: Rauchgas vom Kessel bzw. O₂-Vorwärmer
12: verdichtetes CO₂ zur nächsten Kompressorstufe
13: Rauchgaskondensat
14: Kühlwasser
15: Abdampf aus Turbine
16: Anzapfdampf aus Turbine
17: Luft aus Luftzerlegungsanlage bzw. deren Kompressor
18: Zur Luftzerlegungsanlage bzw. zur nächsten Kompressorstufe
19: Kondensat
20: Speisewasser zu weiteren Vorwärmern
21: CO₂
101: Luftzerlegungsanlage
102: Dampferzeuger
103: Gasreinigung
104: Luft
105: Stickstoff
106: Sauerstoff
107: fossiler Brennstoff
108: Wärme (Dampf)
109: Rauchgas Rezierkulation
110: CO₂-reiches Rauchgas
111: Kondensat (Wasser)
112: Sonstige abgetrennte Störstoffe
113: gereinigtes CO₂

Claims

Verfahren zur Auskoppelung der Wärme zur Erzielung eines hohen Kraftwerkswirkungsgrades bei einem CO₂-emissionsfreien Kraftwerk nach dem Oxyfuelprozess, bei dem mit O₂ statt Luft als Sauerstoffträger ein Dampfprozess betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat aus dem Kondensator, welcher vom Abdampf (15) aus der Turbine gespeist wird, zuerst durch die Abwärme des Rauchgaskondensator vorgewärmt und anschließend weiteren Wärmeübertragern mit jeweils höherer Temperatur zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat, das den Rauchgaskondensator (2) bereits durchlaufen hat auf mehrere Stränge aufgeteilt wird, und zu Wärmetauschern (6, 10, 5, 9) geführt wird, die zur – Vorwärmung eines Kondensatteilstromes durch Kühlung des CO₂-Kompressors, – und/oder Vorwärmung eines Kondensatteilstromes durch Kühlung des Kompressors der Luftzerlegungsanlage, – und/oder auch zur Vorwärmung eines Kondensatteilstromes durch Anzapfdampf aus der Turbine, – und/oder zur Vorwärmung eines weiteren Teilstromes zur Kühlung des Rauchgases bevor das Rauchgas in den Wasserdampfkondensator geführt wird, dienen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittstemperatur aus den genannten Wärmeübertragern (6, 10, 5, 9) durch Aufteilung der Wasserströme so eingestellt wird, das nach den genannten Wärmeübertragern dieselbe Wassertemperatur erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat nach dem Durchlaufen der weiteren Wärmetauscher (6, 10, 5, 9) mittels der Abwärme des Kompressors der Luftzerlegungsanlage weiter vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat nach dem Durchlaufen der weiteren Wärmetauscher mittels der Abwärme des Kompressors der CO₂-Anlage weiter vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Wärmeübertragung an das Kondensat die Luft aus der Luftzerlegungsanlage und/oder das CO₂ weiteren Wärmeübertragern zugeführt wird.