DE102005025345A1 - Kraftwerk mit CO2-Heißgasrückführung sowie Verfahren zum Betreiben desselben - Google Patents
Kraftwerk mit CO2-Heißgasrückführung sowie Verfahren zum Betreiben desselben Download PDFInfo
- Publication number
- DE102005025345A1 DE102005025345A1 DE102005025345A DE102005025345A DE102005025345A1 DE 102005025345 A1 DE102005025345 A1 DE 102005025345A1 DE 102005025345 A DE102005025345 A DE 102005025345A DE 102005025345 A DE102005025345 A DE 102005025345A DE 102005025345 A1 DE102005025345 A1 DE 102005025345A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- membrane
- temperature
- gas
- power plant
- heat exchanger
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B13/00—Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
- C01B13/02—Preparation of oxygen
- C01B13/0229—Purification or separation processes
- C01B13/0248—Physical processing only
- C01B13/0251—Physical processing only by making use of membranes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
- B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
- H01M8/0668—Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
- F23L2900/00—Special arrangements for supplying or treating air or oxidant for combustion; Injecting inert gas, water or steam into the combustion chamber
- F23L2900/07001—Injecting synthetic air, i.e. a combustion supporting mixture made of pure oxygen and an inert gas, e.g. nitrogen or recycled fumes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/32—Direct CO2 mitigation
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Kraftwerk mit CO¶2¶-Heißgasrückführung, welches CO¶2¶ aus dem Verbrennungsprozess mit hoher Temperatur zurückführt. Dazu wurden gegenüber den bislang bekannten Kraftwerkskonzepten zwei Verbesserungen vorgenommen. DOLLAR A Zum einen wurde der Rauchgas/Luft-Wärmetauscher an die Erfordernisse der Hochtemperatur-Membran angepasst und die Verschaltung mit der Hochtemperatur-Membran so konzipiert, dass das Heißgas und die Luft diese Bauteile nun im Gegenstrom durchströmen. Das heiße Rauchgas durchströmt dabei zuerst die Membran und wird dann im Wärmetauscher abgekühlt, die Luft hingegen wird zuerst im Wärmetauscher aufgeheizt und erreicht die Membran mit ausreichend hoher Temperatur. Die Gastemperaturen in der Membran sind nahezu konstant und die Temperaturdifferenzen zwischen Rauchgas und Luft in der Membran sind vorteilhaft gering. DOLLAR A Durch die vorgenannte Verschaltung ist es gelungen, innerhalb des Heißgaskreislaufes einen Bereich mit erheblich abgesenkter Temperatur von ca. 500 DEG C zu schaffen. Durch Positionsverschiebung des Kreislaufgebläses in diesen Bereich ist nun das Problem für bislang fehlende Realisierung eines Heißgasgebläses gelöst.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Kraftwerk, insbesondere ein effektives Hochtemperatur-Membrankraftwerk mit Heißgas-Rückführung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftwerkes.
- Als Kraftwerke mit Heißgasrückführung sind unter anderem fossil betriebene Dampfkraftwerke oder auch Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit Anodengas- oder Kathodengasrückführung bekannt. Aus der Verfahrenstechnik ist ferner bekannt, dass eine zumindest teilweise Rückführung von Gasströmen zu verbesserten Konzepten führen kann, bzw. ist diese in manchen Fällen sogar zwingend notwendig. Die Rückführung von Gasströmen geschieht in der Regel mit einem Gebläse bzw. einem Verdichter, welches das Gas zurückfördert. Nach dem bisherigen Stand der Technik sind derartige Kreislaufgebläse allerdings nur bis zu einer Betriebstemperatur von ca. 500 °C verfügbar. Bei sehr heißen zurückzuführenden Gasen mit Temperaturen oberhalb von 500 °C müssen deshalb spezielle Problemlösungen gesucht werden.
- Bei den oben erwähnten Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit Anodengas- oder Kathodengasrückführung trifft das heiße rückgeführte Gas in der Regel auf kaltes Feedgas. Dadurch entsteht ein Bereich mit abgesenkter Temperatur im Gaskreislauf. Bei diesen Systemen kann das Problem eines besonders temperaturbeständigen Heißgasgebläses dadurch entschärft werden, dass das Gebläse in diesen kälteren Hauptstrom des Gaskreislaufes positioniert wird. Obwohl nun das Gebläse den eintretenden Gasstrom nach vorn fördert, wird dennoch der Gasfluss im gesamten Kreislauf angeregt und somit auch das rückzuführende Gas gefördert.
- Schwieriger ist die Ausgangssituation bei einem anderen Anlagenkonzept, auf dem diese Erfindung basiert. Dessen Grundkonzept weist einen notwendigerweise heißen zurückzuführenden Gasstrom auf. In diesem Fall ist aber auch das Feedgas heiß, so dass sich nach der Mischung keine Temperaturabsenkung ergibt, und somit keine Möglichkeit, in der Praxis ein nur bis 500 °C belastbares Gebläse einzusetzen.
- Derzeitiger Stand der Kraftwerkskonzepte mit CO2-Abtrennung
- Längerfristig wird weltweit angestrebt, durch Entwicklung geeigneter Verfahren CO2 aus Kraftwerken abzutrennen und damit den CO2-Ausstoß erheblich zu senken. Die Abtrennung von CO2 aus Kraftwerksprozessen ist grundsätzlich über 3 Technologierouten erzielbar [1]:
- 1.a "Post-Combustion-Capture": Abtrennung von CO2 aus dem Rauchgas nach der Verbrennung durch geeignete Wäschen bzw. langfristig durch Membransysteme
- Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass hohe Volumenströme an Rauchgas mit vergleichsweise geringer CO2-Konzentration gereinigt werden müssen. Membranen zur Abtrennung des CO2 werden deshalb einen hohen Bedarf an Membranfläche aufweisen.
- 1.b "Pre-Combustion-Capture": Abtrennung von CO2 in einem Zwischenschritt nach Kohlevergasung (bzw. Erdgasreformierung), aber noch vor der Verbrennung mit Luft
- Die verschiedenen bisher entwickelten Kohlevergasungsverfahren werden bevorzugt mit Sauerstoff oder angereicherter Luft (und Dampft unter Druck (ca. 20–30 bar) betrieben. Deshalb weist das Kohlegas im Hinblick auf eine CO2-Abtrennung zwei entscheidende Vorteile auf. Zum einen ist der reale Volumenstrom (mit wenig Stickstoff und bei hohem Druck) etwa um das 100-fache geringer als bei den Rauchgasen üblicher Dampfkraftwerke. Dies führt unmittelbar zu hohen Partialdrücken der Hauptkomponenten CO und H2. Nach einer zusätzlichen CO-Konvertierung nach CO2 und H2 mittels Dampfzufuhr (Shift-Reaktor) zur Konditionierung des Kohlegases für eine CO2-Abtrennung eröffnen sich zwei Optionen:
- – Abtrennung von CO2 z. B. mit einer Wäsche oder
- – Abtrennung einer hinreichenden Menge H2 mittels einer Membran, wobei im Retentat ein CO2-reiches Gas zurückbleibt, geeignet für eine Verflüssigung und Deponierung.
- Bei beiden Optionen wird der Wasserstoff anschließend in einem Gas- und Dampfturbinen-Prozess (GuD-Prozess) (mit H2-Turbine, die z.B. bei SIEMENS entwickelt wird) verstromt.
- 1.c "Oxyfuel-Prozess": Sehr einfache CO2-Abtrennung nach Verbrennung mit reinem Sauerstoff
- Dieses Verfahren hat einen entscheidenden Vorteil. Verbrennung in reinem Sauerstoff liefert als Verbrennungsprodukt nur CO2 und Wasserdampf, der beim Abkühlen des Gasgemisches auf sehr einfache Weise durch Kondensation vom CO2 getrennt werden kann.
- Bei allen Oxyfuel-Prozessen wird ein Teil des Rauchgases mit Temperaturen unter 1000 °C zurückgeführt, um die Temperaturen in der Brennkammer auf 1500 °C zu begrenzen. Eine Verbrennung mit reinem Sauerstoff ohne ein Luft/Stickstoffgemisch bzw. ohne rückgeführtes CO2-Gas würde regelmäßig zu Verbrennungstemperaturen von weit über 2000 °C führen. Dieses Rauchgas enthält überwiegend CO2. Das Temperaturniveau des rückgeführten Rauchgases kann je nach Konzept sehr unterschiedlich ausfallen.
- Auch hinsichtlich der Sauerstofferzeugung existieren prinzipiell unterschiedliche Verfahren:
- 2.a Konzept mit Luftzerlegungsanlage (LZA)
- Der Sauerstoff kann mittels Tieftemperaturzerlegung in einer LZA gewonnen werden, allerdings unter hohem Energieaufwand. Das mittels Gebläse zurückgeführte Rauchgas weist eine niedrige Temperatur auf [2]. Diese variiert zwischen 160 und 340 °C bei den verschiedenen publizierten Varianten.
- 2.b Konzept mit Hochtemperatur-O2-Membran
- Höchste O2/N2-Trennselektivität kann durch sog. „dichte" Membransysteme auf Basis von Mischleitern mit gleichzeitiger Elektronen- und Sauerstoffionen-Leitfähigkeit erreicht werden. Modifizierte Perowskite, wie sie heute als Kathodenmaterialien für Hochtemperatur-Brennstoffzellen eingesetzt werden, sind dafür besonders geeignet. Allerdings ist eine hohe Betriebstemperatur von mindestens ca. 800 °C erforderlich [3, Seite 62].
- 2.c Konzept mit Niedertemperatur-O2-Membran
- Alternative poröse Niedertemperatur-O2-Membransysteme kommen vorläufig noch nicht in Frage, da hier noch ein sehr hoher Entwicklungsbedarf vorhanden ist.
- Ausgangspunkt dieser Erfindung ist das Hochtemperatur-Membran-Kraftwerkskonzept des Verbundvorhabens „OXYCOAL-AC" der RWTH Aachen. Dort wird das CO2 aus dem Verbrennungsprozess mit hoher Temperatur zurückgeführt, um eine ausreichend hohe Temperatur in der Membran aufrechterhalten zu können [4]. Im Gleichstrom mit dem Rauchgas erfolgt die Vorwärmung der Luft, zunächst in einem Wärmetauscher und anschließend auch innerhalb der Membran.
- Dieses Konzept weist derzeit jedoch noch zwei Nachteile auf:
- – Die gewählte Verschaltung wird innerhalb der Membran zu inhomogenen Temperaturverläufen führen.
- – In dieser Anordnung ist ein Kreislaufgebläse bei sehr hoher Temperatur (850°C) zu betreiben. Die Realisierung dieser Komponente stellt ein schwerwiegendes Problem dar und erfordert erheblichen Forschungsbedarf [4].
- Bei moderaten Betriebstemperaturen bis 500 °C können für die Gasförderung für hohe Volumenströme mit einer nur geringen Druckerhöhung bis ca. 800 mbar Ventilatoren eingesetzt werden. Für Druckerhöhungen über 800 mbar werden Kompressoren verwendet. Bis zu einem Druckverhältnis von 7 werden Gasströme einstufig ohne Zwischenkühlung verdichtet.
- Demgegenüber müssten für eine Heißgasförderung Spezialgebläse wie beispielsweise riemengetriebene Radialventilatoren eingesetzt werden, die aufgrund der hohen Betriebstemperaturen und den daraus resultierenden technischen Gegebenheiten nur einen geringen Druckaufbau zulassen. In der Regel werden Heißgasgebläse im Gegensatz zu normalen Gebläsen mit einem deutlich schlechteren Wirkungsgrad (60 %) simuliert.
- Aufgabe und Lösung
- Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein effektives und gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Kraftwerk mit CO2-Heißgas-rückführung zur Verfügung zustellen, welches CO2 aus dem Verbrennungsprozess mit hoher Temperatur zurückführt, und welches konstruktiv kein Problem mit einem Heißgasgebläse aufweist.
- Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben des vorgenannten verbesserten Kraftwerkes zur Verfügung zu stellen.
- Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Kraftwerk mit CO2-Heißgasrückführung und weiteren Merkmalen gemäß Hauptanspruch, sowie durch ein Verfahren zum Betreiben dieses Kraftwerks gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen des Kraftwerks und des Verfahrens zum Betreiben desselben finden sich in den jeweils rückbezogenen Ansprüchen.
- Gegenstand der Erfindung
- Der Gegenstand der Erfindung ist ein Kraftwerk mit CO2-Heißgasrückführung mit der Gesamtheit an Merkmalen des Haupan spruchs. Dabei sind unter dem Begriff Kraftwerke sowohl mit Kohle oder auch mit Gas betriebene Dampfkraftwerke, als auch beispielsweise Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Kraftwerke mit umfasst.
- Das Kraftwerk umfasst dabei eine Zufuhr für Brennstoff, eine Zufuhr für Oxidationsmittel sowie eine Reaktionskammer. Bei einem Dampfkraftwerk entspricht die Reaktionskammer dabei der Brennerkammer bzw. dem Dampferzeuger, während sie bei einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle der eigentlichen Membran-Elektroden-einheit entspricht, in der die elektrochemische Umsetzung stattfindet. Aus der Reaktionskammer wird CO2-haltiges heißes Rauchgas, bzw. Anoden- und Kathodenabgas abgeleitet. Für das Rauchgas ist eine Kreislaufführung (Heißgasrückführung) vorgesehen, die wenigstens einen Wärmetauscher, eine Hochtemperaturmembran zur Abtrennung von O2 aus Luft, sowie ein Gebläse umfasst. Das Gebläse dient der Kompression und der Gasförderung in der Kreislaufführung. Das für die Realisierung der Heißgasrückführung an günstiger Position angeordnete Gebläse, bzw. der Verdichter ist dadurch gekennzeichnet, dass als Gebläse ein lediglich bis zu 500°C ausgelegtes Gebläse eingesetzt wird.
- Gegenüber dem aus der Literatur bekannten Kraftwerkskonzept OXYCOAL-AC (400 MW) unterscheidet sich die Erfindung durch konstruktive Maßnahmen zur Temperaturbeeinflussung im Gaskreislauf, insbesondere für die Schaffung einer lokalen Temperaturabsenkung für eine günstige Gebläsepositionierung. Dabei wurde die Aufgabe der Erfindung insbesondere durch Kombination zweier Maßnahmen gelöst.
- A) Anpassung des Rauchgas/Luft-Wärmetauschers an die Erfordernisse der Hochtemperatur-Membran
- Die Verschaltung der Hochtemperatur-Membran mit dem zugehörigen Wärmetauscher wurde so konzipiert, dass die Membran unter optimalen Bedingungen (hohe Temperatur, niedrige Temperaturgradienten) betrieben werden kann. Das Heißgas und die Luft durchströmen diese Bauteile nun im Gegenstrom. Das heiße Rauchgas durchströmt dabei zuerst die Membran und wird dann im Wärmetauscher abgekühlt, die Luft hingegen wird zuerst im Wärmetauscher aufgeheizt und erreicht die Membran mit ausreichend hoher Temperatur, so dass nahezu konstante hohe Gastemperaturen in der Membran vorhanden sind. Auch die Temperaturdifferenzen zwischen Rauchgas und Luft in der Membran sind gering, so dass konstruktive Probleme aufgrund von Wärmespannungen nicht zu erwarten sind.
- B) Positionsverschiebung des Kreislaufgebläses in den neu geschaffenen kälteren Bereich des Gaskreislaufs
- Durch diese Verschaltung ist es außerdem gelungen, innerhalb des Heißgaskreislaufes einen Bereich mit erheblich abgesenkter Temperatur von ca. 500°C zu schaffen. Durch Positionsverschiebung des Kreislaufgebläses in diesen Bereich (nach Membran und Wärmetauscher und vor der Brennkammer) ist nun das Problem für bislang fehlende Realisierung eines Heißgasgebläses gelöst. Es ergibt sich nur ein geringer Nachteil durch den an dieser Stelle des Kreislaufs etwas vergrößerten Volumenstrom infolge des hinzugekommenen Sauerstoffs.
- Während ein Heißgasgebläse für Temperaturen um 850°C einen erheblichen Forschungsbedarf aufweist, sind Gebläse bei 500°C prinzipiell mit vorhandener Technologie darstellbar.
- Spezieller Beschreibungsteil
- Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es zeigen
-
1 : Oxycoal-Konzept mit O2 aus LZA (920 MW): CO2-Rückführung bei niedriger Temperatur und Verbrennung mit O2/CO2 -
2 : Kraftwerkskonzept OXYCOAL-AC (400 MW): CO2-Heißgasrückführung mit Heißgas-Gebläse, Rauchgas/Luft-Wärmetauscher im Gleichstrom -
3 : Membran-Kraftwerk "Oxycoal-FZJ" (Simulation mit PRO/II): CO2-Heißgasrückführung, Gegenstrom-Wärmetauscher und Kreislauf-Gebläse im Hauptstrom bei mittlerer Temperatur - Alle drei Konzepte basieren auf dem Oxyfuel-Prozess, bei dem die Verbrennung mit reinem Sauerstoff als Verbrennungsprodukte nur CO2 und Wasserdampf liefert, der beim Abkühlen des Gasgemisches auf sehr einfache Weise durch Kondensation vom CO2 getrennt werden kann. Ein großes Entwicklungspotential wird Hochtemperatur-O2-Membranen zugesprochen, insbesondere aufgrund von energetischen Gesichtspunkten. Voraussetzung dafür ist, dass kostengünstige Membranen zur Verfügung stehen.
- Die
1 stellt ein denkbares zukünftiges Kraftwerkskonzept dar, bei dem der eingesetzte Sauerstoff zunächst in einer Luftzerlegungsanlage (LZA) bereitgestellt wird. Das die Brennkammer, bzw. den Dampferzeuger verlassende Rauchgas weist bei verschiedenen Konzeptvarianten niedrige Temperaturen zwischen 160 und 340 °C auf. An hier einzusetzende Gebläse sind keine herausragenden Anforderungen zu stellen. - In den
2 und3 sind jeweils Konzepte dargestellt, bei denen der benötigte Sauerstoff direkt aus der komprimierten Luft über O2-Membranen abgetrennt wird, während das vorwiegend aus CO2 bestehende rezirkulierte Rauchgas als Spülgas eingesetzt wird. Dadurch wird ein niedriger CO2-Partialdruck auf der Permeatseite erreicht, was für eine aussichtsreiche Triebkraft der O2-Permeation wichtig ist. Die Hochtemperaturmembranen sind direkt im Heißgaskreislauf angeordnet. - Gemäß dem Konzept in
2 wird das heiße Gas in einem Gleichstrom-Wärmetauscher zunächst leicht abgekühlt, durchläuft die Hochtemperaturmembran und wird mit O2 angereichert der Brennkammer wieder zugeführt. Die Temperatur im Gaskreislauf variiert dabei nur relativ geringfügig von ca. 850 °C beim Verlassen der Brennkammer bis auf ca. 700–800 °C beim Wiedereintritt in dieselbe. Unabhängig davon, ob das für die Rückführung benötigte Gebläse in Strömungsrichtung direkt hinter der Brennkammer, oder zwischen Wärmtauscher und Hochtemperaturmembran, oder zwischen Hochtemperaturmembran und der Brennkammer angeordnet werden würde, es müsste in jedem Fall Temperaturen oberhalb von 700 °C standhalten. - Ferner wird die Effizienz der Hochtemperaturmembran dadurch herabgesetzt, dass die beiden Gasströme, die zugeführte Luft und das Heißgas deutlich unterschiedliche Temperaturen aufweisen. So wird die zugeführte Luft zwar über einen Wärmtauscher auf ca. 600–700 °C vorgewärmt, allerdings wird gleichzeitig die Temperatur des Rauchgases auf ca. 700–800 °C abgesenkt. Hochtemperaturmembranen arbeiten aber erst ab ca. 800 °C effektiv. Zudem würden die großen Temperaturgradienten über die Membran nachteilig zu mechanischen Belastungen und möglicherweise Rissen in der Membran führen.
- Dem gegenüber wurden in dem erfinderischen Kraftwerkskonzept in
3 zwei entscheidende Veränderungen vorgenommen. Zum einen wurde die Verschaltung der Hochtemperaturmembran und des dazugehörigen Wärmetauschers verändert. Das Heißgas und die Luft durchströmen diese Bauteile nicht mehr im Gleichstrom, sondern im Gegenstrom. Das heiße Rauchgas durchströmt dabei zunächst die Membran und wird erst anschließend im Wärmetauscher abgekühlt. Die Luft wird entsprechend erst im Wärmetauscher ausreichend aufgeheizt, bevor sie die Membran durchströmt. Dadurch wird vorteilhaft das Temperaturniveau an der Membran gesteigert. Zudem wird durch diese Strömungsführung die mittlere Temperaturdifferenz über die Membran erheblich verringert, was zu deutlich geringeren konstruktiven Problemen aufgrund von Wärmespannungen führt. - Als zweite Prozessveränderung wurde das Gebläse, bzw. der Verdichter, welches für die Umwälzung des Rauchgases zuständig ist, von der heißen Seite des Rauchgasstromes entfernt und an die Stelle nach der Membran und dem Wärmetauscher angeordnet, wo der Gastrom deutlich abgekühlt vorliegt. Der Verdichter muss einen großen Volumenstrom mit einem kleinen Druckverhältnis verdichten. Der Nachteil des durch den hinzugekommenen Sauerstoff vergrößerten Stoffstroms wird durch die von ca. 850 °C auf ca. 500 °C abgesunkene Temperatur überkompensiert. Während ein Heißgasgebläse für Temperaturen um 850 °C noch einen erheblichen Forschungsbedarf aufweisen würde, sind Gebläse, die für eine Betriebstemperatur von ca. 500 °C ausgelegt sind, prinzipiell schon vorhanden.
- In dieser Anmeldung zitierte Literatur
-
- [1] J. Ewers, W. Renzenbrink, F. Hannemann, G. Haupt, G. Zimmermann, Entwicklung von Kombikraftwerkskonzepten zur CO2-freien Stromerzeugung, XXXVI. Kraftwerkstechnisches Kolloquium, TU Dresden, 19.–20. Okt. 2004, Beitrags-Nr. V27.
- [2] S. Hellfritsch et al., Fortschritte bei der Weiterentwicklung des Oxyfuel-Prozesses am Beispiel eines Braunkohlekraftwerkes, XXXVI. Kraftwerkstechnisches Kolloquium, TU Dresden, 19.–20. Okt. 2004, Beitrags-Nr. V41.
- [3] Th. Melin, R. Rautenbach, Membranverfahren-Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung, Springer-Verlag Berlin, 2. Aufl., 2004.
- [4] U. Renz, Entwicklung eines CO2-emissionsfreien Kohleverbrennungsprozesses zur Stromerzeugung in einem Verbundvorhaben der RWTH Aachen, XXXVI. Kraftwerkstechnisches Kolloquium, TU Dresden, 19.–20. Okt. 2004, Beitrags-Nr. V42.
Claims (8)
- Kraftwerk umfassend eine Zufuhr für Brennstoff (
1 ), eine Zufuhr für Oxidationsmittel (2 ), eine Reaktionskammer (3 ), einen Gaskreislauf (4 ), wenigstens einen Wärmetauscher (5 ) sowie eine Hochtemperaturmembran (6 ) zur Trennung von O2 und N2 sowie ein im Gaskreislauf angeordnetes Gebläse (7 ), dadurch gekennzeichnet, dass als Gebläse ein bis zu 500 °C ausgelegtes Gebläse angeordnet ist. - Kraftwerk nach vorhergehendem Anspruch 1, bei dem die Hochtemperaturmembran (
6 ) zur Abtrennung von O2 aus Luft als Gegenstromvariante ausgelegt ist. - Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, bei dem der Wärmetauscher (
5 ) im Gaskreislauf zwischen der Hochtemperaturmembran (6 ) und der Reaktionskammer (3 ) angeordnet ist. - Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3 mit einem weiteren Wärmetauscher (
5 ), der in Strömungsrichtung des zugeführten Oxidationsmittels vor der Hochtemperaturmembran (6 ) angeordnet ist. - Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Gebläse zwischen dem Wärmetauscher (
5 ) und der Reaktionskammer (3 ) angeordnet ist. - Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerkes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das heiße Gas aus der Reaktionskammer (
3 ) zunächst in einem Wärmetauscher (5 ) abgekühlt und anschließend durch das Gebläse geleitet wird, bevor es erneut der Brennkammer (3 ) zugeführt wird. - Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das heiße Gas aus der Brennkammer (
3 ) vor dem Durchlaufen des Wärmetauschers durch die Hochtemperaturmembran (6 ) geleitet wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, bei dem die Hochtemperaturmembran (
6 ) im Gegenstrom betrieben wird.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102005025345A DE102005025345A1 (de) | 2005-05-31 | 2005-05-31 | Kraftwerk mit CO2-Heißgasrückführung sowie Verfahren zum Betreiben desselben |
PCT/DE2006/000906 WO2006128426A1 (de) | 2005-05-31 | 2006-05-26 | Kraftwerk mit co2-heissgasrückführung sowie verfahren zum betreiben desselben |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102005025345A DE102005025345A1 (de) | 2005-05-31 | 2005-05-31 | Kraftwerk mit CO2-Heißgasrückführung sowie Verfahren zum Betreiben desselben |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102005025345A1 true DE102005025345A1 (de) | 2006-12-07 |
Family
ID=36847810
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102005025345A Withdrawn DE102005025345A1 (de) | 2005-05-31 | 2005-05-31 | Kraftwerk mit CO2-Heißgasrückführung sowie Verfahren zum Betreiben desselben |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102005025345A1 (de) |
WO (1) | WO2006128426A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009019218A2 (de) * | 2007-08-07 | 2009-02-12 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zum betrieb einer verbrennungsanlage sowie verbrennungsanlage |
WO2010133193A3 (de) * | 2009-05-16 | 2011-10-13 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Kraftwerk sowie verfahren zum betreiben desselben |
EP2450534A1 (de) * | 2008-10-27 | 2012-05-09 | Hitachi Ltd. | Oxyfuel-Kessel und Steuerungsverfahren dafür |
DE102013202713A1 (de) | 2013-02-20 | 2014-08-21 | Technische Universität Dresden | Vergasungsverfahren zur Erzeugung von Synthesegas mit integrierter Bereitstellung des Vergasungsmittels |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SE530793C2 (sv) * | 2007-01-19 | 2008-09-16 | Siemens Ag | Förbränningsinstallation |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19503348A1 (de) * | 1995-02-02 | 1996-08-08 | Erhard Liebig | Verringerung der NO¶x¶-Emissionen durch Verminderung der Stickstoffzufuhr in den Verbrennungsprozess |
DE69819809T2 (de) * | 1997-04-29 | 2004-09-23 | Praxair Technology, Inc., Danbury | Verfahren mit fester elektrolytischer Membran zur Herstellung von Sauerstoff mit kontrollierter Reinheit |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1197256A1 (de) * | 2000-10-13 | 2002-04-17 | ALSTOM (Switzerland) Ltd | Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von heissen Verbrennungsabgasen |
CH695793A5 (de) * | 2001-10-01 | 2006-08-31 | Alstom Technology Ltd | Verbrennungsverfahren, insbesondere für Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom und/oder von Wärme. |
US20030138747A1 (en) * | 2002-01-08 | 2003-07-24 | Yongxian Zeng | Oxy-fuel combustion process |
-
2005
- 2005-05-31 DE DE102005025345A patent/DE102005025345A1/de not_active Withdrawn
-
2006
- 2006-05-26 WO PCT/DE2006/000906 patent/WO2006128426A1/de active Application Filing
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19503348A1 (de) * | 1995-02-02 | 1996-08-08 | Erhard Liebig | Verringerung der NO¶x¶-Emissionen durch Verminderung der Stickstoffzufuhr in den Verbrennungsprozess |
DE69819809T2 (de) * | 1997-04-29 | 2004-09-23 | Praxair Technology, Inc., Danbury | Verfahren mit fester elektrolytischer Membran zur Herstellung von Sauerstoff mit kontrollierter Reinheit |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009019218A2 (de) * | 2007-08-07 | 2009-02-12 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zum betrieb einer verbrennungsanlage sowie verbrennungsanlage |
EP2026004A1 (de) * | 2007-08-07 | 2009-02-18 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsanlage sowie Verbrennungsanlage |
WO2009019218A3 (de) * | 2007-08-07 | 2010-04-22 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zum betrieb einer verbrennungsanlage sowie verbrennungsanlage |
EP2450534A1 (de) * | 2008-10-27 | 2012-05-09 | Hitachi Ltd. | Oxyfuel-Kessel und Steuerungsverfahren dafür |
WO2010133193A3 (de) * | 2009-05-16 | 2011-10-13 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Kraftwerk sowie verfahren zum betreiben desselben |
US8778054B2 (en) | 2009-05-16 | 2014-07-15 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Power station and method for operating the same |
DE102013202713A1 (de) | 2013-02-20 | 2014-08-21 | Technische Universität Dresden | Vergasungsverfahren zur Erzeugung von Synthesegas mit integrierter Bereitstellung des Vergasungsmittels |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2006128426A1 (de) | 2006-12-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69910441T2 (de) | Verfahren zur wiedergewinnung von kohlendioxid | |
DE69808218T2 (de) | Verfahren mit festen elektrolytischen Ionenleitern zur Erzeugung von Sauerstoff, Stickstoff und/oder Kohlendioxid für Gasturbirnen | |
DE69717161T2 (de) | Verfahren zur energiegewinnung mit hilfe eines verbrennungsprozesses | |
DE69822028T2 (de) | Verfahren zur Herstellung eines oxidierten Produkts | |
DE69722270T2 (de) | Verfahren zur erzeugung von kraft und/oder wärme enthastend einen leitenden mischmembranreaktor | |
DE4032993C1 (de) | ||
DE102008048062B3 (de) | IGCC-Kraftwerk mit Rauchgasrückführung und Spülgas | |
DE69501585T2 (de) | Hochtemperatur-Sauerstoffproduktion mit Dampf- und Energieerzeugung | |
EP2214806B1 (de) | Membran-kraftwerk und verfahren zum betreiben eines solchen | |
EP2342008B1 (de) | Igcc-kraftwerk mit rauchgasrückführung und spülgas | |
DE102004039164A1 (de) | Verfahren zur Erzeugung von Energie in einer eine Gasturbine umfassenden Energieerzeugungsanlage sowie Energieerzeugungsanlage zur Durchführung des Verfahrens | |
WO2015185039A1 (de) | Elektrolyseverfahren und elektrolyseanordnung mit rezirkulierenden spülmedien | |
DE102020000476A1 (de) | Verfahren und Anlage zur Herstellung von Wasserstoff | |
EP2174064A2 (de) | Verfahren zum betrieb einer verbrennungsanlage sowie verbrennungsanlage | |
DE102005025345A1 (de) | Kraftwerk mit CO2-Heißgasrückführung sowie Verfahren zum Betreiben desselben | |
WO2018019872A1 (de) | Verfahren und anlage zur herstellung von kohlenwasserstoffen | |
DE102007019178A1 (de) | Verfahren zur Konzentration von Kohlendioxid, das in Rauchgasen vorhanden ist, die von einer Anlage zur Energieerzeugung abgegeben werden | |
EP2981503B1 (de) | Verfahren und membranmodul zur energieeffizienten sauerstofferzeugung in der biomassevergasung | |
DE69721072T2 (de) | Verfahren zur durchführung von katalytische oder nichtkatalytische verfahren, mit einem mit sauerstoff angereichertem reaktant | |
WO2009027230A2 (de) | Verfahren zum betrieb einer kraftwerksanlage mit integrierter vergasung sowie kraftwerksanlage | |
WO2017084656A2 (de) | Verfahren und vorrichtung zum betrieb einer gasturbine mit nasser verbrennung | |
DE102019128882B3 (de) | Verfahren zur prozessintegrierten Sauerstoff-Versorgung eines Wasserstoff-Kreislaufmotors mit Kreislaufführung eines Edelgases | |
DE102008010928A1 (de) | Feuerungsanlage und Verfahren zum Betreiben einer solchen | |
DE102022213277B3 (de) | Verfahren und Anlage zur Herstellung eines Eduktgasgemisches enthaltend oder bestehend aus Wasserstoff und Stickstoff | |
DE102023201841A1 (de) | Elektrolyseanlage mit einem Druckelektrolyseur und Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8130 | Withdrawal |