DE102005025345A1 - Kraftwerk mit CO2-Heißgasrückführung sowie Verfahren zum Betreiben desselben - Google Patents

Kraftwerk mit CO2-Heißgasrückführung sowie Verfahren zum Betreiben desselben Download PDF

Info

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Withdrawn
Application number
DE102005025345A
Other languages
English (en)
Inventor
Ludger Prof. Dr. Blum
Christoph Schneiders
Ernst Arndt Dr. Riensche
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority to DE102005025345A priority Critical patent/DE102005025345A1/de
Priority to PCT/DE2006/000906 priority patent/WO2006128426A1/de
Publication of DE102005025345A1 publication Critical patent/DE102005025345A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/02Preparation of oxygen
    • C01B13/0229Purification or separation processes
    • C01B13/0248Physical processing only
    • C01B13/0251Physical processing only by making use of membranes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation 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
    • B01D53/22Separation 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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00General layout or general methods of operation of complete plants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23LSUPPLYING 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
    • F23L2900/00Special arrangements for supplying or treating air or oxidant for combustion; Injecting inert gas, water or steam into the combustion chamber
    • F23L2900/07001Injecting synthetic air, i.e. a combustion supporting mixture made of pure oxygen and an inert gas, e.g. nitrogen or recycled fumes
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/32Direct CO2 mitigation
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel 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 und 3 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)

  1. 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.
  2. Kraftwerk nach vorhergehendem Anspruch 1, bei dem die Hochtemperaturmembran (6) zur Abtrennung von O2 aus Luft als Gegenstromvariante ausgelegt ist.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Gebläse zwischen dem Wärmetauscher (5) und der Reaktionskammer (3) angeordnet ist.
  6. 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.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das heiße Gas aus der Brennkammer (3) vor dem Durchlaufen des Wärmetauschers durch die Hochtemperaturmembran (6) geleitet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, bei dem die Hochtemperaturmembran (6) im Gegenstrom betrieben wird.
DE102005025345A 2005-05-31 2005-05-31 Kraftwerk mit CO2-Heißgasrückführung sowie Verfahren zum Betreiben desselben Withdrawn DE102005025345A1 (de)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE530793C2 (sv) * 2007-01-19 2008-09-16 Siemens Ag Förbränningsinstallation

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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