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Hintergrund
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Die
Erfindung betrifft allgemein die Energieerzeugung und die wirksame
Rückgewinnung
von Kohlendioxyd. Mehr im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf
die Verknüpfung
unter Druck stehender Medienströme
aus Gasturbinen unter Kohlendioxydabscheidung und -rückgewinnung.
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Energieerzeugungssysteme,
die Kohlenstoff, bspw. fossile Brennstoffe, enthaltende Brennstoffe
verbrennen, erzeugen als Nebenprodukt Kohlendioxyd (CO2)
während
der Verbrennung bei der Kohlenstoff in CO2 umgesetzt
wird. Kohlendioxyd (CO2)-Emissionen von
fossile Brennstoffe verwendenden Kraftwerken werden in zunehmendem
Maße durch
nationale und internationale Vorschriften, wie das Kyoto Protokoll
und das EU Emission Trading Scheme, mit Auflagen belastet. Bei dem
zunehmenden Kostenaufwand für
die Emission von CO2 wird die Reduktion
von CO2 Emissionen für eine wirtschaftliche Energie(Strom)-Erzeugung
wichtig. Die Entfernung oder Rückgewinnung
des Kohlendioxyds (CO2) aus Energieerzeugungssystemen
etwa aus dem Abgas einer Gasturbine ist wegen des geringen CO2-Gehalts und des niedrigen (Umgebungs-)Drucks
des Abgases in der Regel nicht wirtschaftlich. Deshalb wird das
das CO2 enthaltende Abgas typischerweise
in die Atmosphäre
abströmen lassen
und es wird nicht in Meeren, Bergwerken, Ölquellen, geologischen Salzbergwerkreservoiren
und dergleichen eingeschlossen.
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Gasturbinenanlagen
arbeiten nach dem Brayton Kreisprozess. Sie verwenden einen Verdichter,
um die Einlassluft strömungsaufwärts einer Brennkammer
zu verdichten. Sodann wird Brennstoff eingeführt und gezündet, um ein Gas hoher Temperatur
und hohen Drucks zu erzeugen, das in die Turbinenstufe einströmt und in
dieser expandiert. Die Turbinenstufe treibt sowohl den Generator
als auch den Verdichter an. Mit Verbrennung von Brennstoffen arbeitende
Turbinen können
auch einen weiten Bereich flüssiger
und gasförmiger
Brennstoffe, von Rohöl
bis Erdgas, verbrennen.
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Um
die CO2-Emissionen aus solchen Kraftwerken
zu reduzieren, werden gegenwärtig
drei allgemein anerkannte Wege benutzt. Das erste Verfahren besteht
darin, das CO2 auf der Ausgangsseite aufzufangen,
wobei das während
der Verbrennung erzeugte CO2 aus den Abgasen
durch ein Absorptionsverfahren, durch Membranen, kryogene Prozesse
oder deren Kombinationen entfernt wird. Ein zweites Verfahren beinhaltet
die Reduzierung des Kohlenstoffgehalts des Brennstoffs. Bei diesem
Verfahren wird der Brennstoff zunächst vor der Verbrennung in
H2 und CO2 umgesetzt.
Damit wird es möglich,
den Kohlenstoffgehalt des Brennstoffs vor dem Eintritt in die Gasturbine
abzufangen. Ein drittes Verfahren beinhaltet einen Brennstoffoxidationsprozess. Bei
diesem Verfahren wird im Gegensatz zu Luft reiner Sauerstoff als
Oxidationsmittel verwendet, womit sich ein Abgas ergibt, das aus
Kohlendioxyd und Wasser besteht.
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Der
Hauptnachteil des Verfahrens zum Auffangendes CO2 auf
der Ausgangsseite besteht darin, dass der CO2-Partialdruck wegen
der niedrigen CO2-Konzentration im Abgas
(typischerweise 3-4 Volumen% bei Erdgaseinsatz) sehr niedrig ist
und deshalb zur Entfernung des CO2 große und teure
Apparate erforderlich sind. Es besteht deshalb ein Bedürfnis nach
einer Technik, die eine wirtschaftliche Rückgewinnung des von Energieerzeugungssystemen (bspw.
Gasturbinen, die auf der Basis kohlenstoffhaltiger Brennstoffe arbeiten)
abgegebenen CO2.
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Kurze Beschreibung
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Unter
einem Aspekt beinhaltet ein Energieerzeugungssystem wenigstens ein
Turbinensystem. Das Turbinensystem verfügt über einen wenigstens eine Stufe
aufweisenden Verdichterschnitt, der zur Lieferung eines verdichteten
Oxidationsmittels ausgelegt ist und eine Brennkammer, die dazu eingerichtet
ist, das verdichtete Oxidationsmittel und einen Brennstoff auf Kohlenstoffbasis
enthaltenden Brennstoffstrom zu verbrennen und ein heißes Rauchgas zu
erzeugen. Das Turbinensystem beinhaltet außerdem einen Expansionsabschnitt
mit einem Einlass zur Aufnahme des heißen Rauchgases, der mindestens
zwei Stufen aufweist. Die beiden Stufen weisen einen Hochdruckexpander
auf, der zur Erzeugung eines CO2-reichen,
expandierten Abgases ausgelegt ist. Der Hochdruckexpander ist fluidmäßig mit
einem Niederdruckexpander gekuppelt, die dazu ausgelegt ist ein
endgültiges
Abgas und elektrische Energie zu erzeugen. Mit dem Hochdruckexpander
ist ein CO2-Abscheidesystem fluidmäßig gekoppelt,
um expandiertes Abgas aus dem Hochdruckexpander aufzunehmen und
ein CO2-armes Gas zu liefern, das dann in
den Niederdruckexpander eingespeist wird.
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Unter
einem anderen Aspekt beinhaltet ein Energieerzeugungssystem ein
erstes Turbinensystem mit einem wenigstens zwei Stufen aufweisenden ersten
Verdichterabschnitt. Die beiden Stufen umfassen einen ersten Niederdruckverdichter,
der fluidmäßig mit
einem ersten Hochdruckverdichter gekoppelt ist, der dazu ausgelegt
ist, einen ersten Teil verdichteten Oxidationsmittels und einen
zweiten Teil verdichteten Oxidationsmittels zu liefern. Das erste
Turbinensystem beinhaltet eine erste Verbrennungskammer, die zum
Verbrennen des ersten Teils des verdichteten Oxidationsmittels und
eines ersten Brennstoffstrom, der Brennstoffe auf Kohlenstoffbasis
enthält
ausgelegt ist und die ein erstes heißes Rauchgas erzeugt. Das erste
Turbinensystem beinhaltet außerdem
einen wenigstens zwei Stufen aufweisenden ersten Expansionsabschnitt
mit einem Einlass zur Aufnahme des ersten heißen Rauchgases. Die beiden
Stufen weisen einen ersten Hochdruckexpander auf, der zur Erzeugung
eines CO2-reichen ersten expandierten Abgases
ausgelegt ist, wobei der erste Hochdruckexpander fluidmäßig mit
einer ersten Niederdruckexpander gekoppelt ist, der dazu ausgelegt
ist ein erstes Abgas und elektrische Energie zu erzeugen. Ein CO2-Abscheidesystem ist mit dem Hochdruckexpander
fluidmäßig gekoppelt, um
das erste expandierte Abgas von dem ersten Hochdruckexpander aufzunehmen
und ein CO2-Gas zu erzeugen, das dann in
den erste Niederdruckexpander eingespeist wird. Das Energieerzeugungssystem
beinhaltet außerdem
ein zweites Turbinensystem. Das zweite Turbinensystem verfügt über einen
zweiten Verdichterabschnitt, der wenigstens zwei Stufen aufweist.
Die beiden Stufen beinhalten einen zweiten Niederdruckverdichter,
der mit einem zweiten Hochdruckver dichter fluidmäßig gekoppelt ist. Eine zweite
Brennkammer ist dazu ausgelegt, den zweiten Teil des verdichteten
Oxidationsmittels und einen Brennstoff auf Kohlenstoffbasis enthaltenden
zweiten Brennstoffstrom zu verbrennen und ein zweites heißes Rauchgas
zu erzeugen. Das zweite Turbinensystem beinhaltet außerdem einen
zweiten Expander, der zur Aufnahme des zweiten heißen Rauchgases
ausgelegt ist und wenigstens zwei Stufen aufweist. Die beiden Stufen
beinhalten einen zweiten Hochdruckexpander, der zur Erzeugung eines
zweiten expandierten Rauchgases ausgelegt ist. Der zweite Hochdruckexpander
ist fluidmäßig mit
einem zweiten Niederdruckexpander gekoppelt, der dazu ausgelegt
ist, ein zweites endgültiges
Abgas und elektrische Energie zu erzeugen. Der zweite Verdichterabschnitt
ist dazu eingerichtet, das Kohlendioxyd enthaltende zweite endgültige Abgas
aufzunehmen und einen Rezirkulationsstrom zu der zweiten Verbrennungskammer
und einen Abzweigstrom zu der ersten Verbrennungskammer abzugeben.
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Unter
einem anderen Aspekt beinhaltet ein Verfahren zur Energieerzeugung
das Verdichten eines Oxidationsmittels in einen Verdichterabschnitt, um
ein verdichtetes Oxidationsmittel zu erzeugen und das Verbrennen
eines ersten Brennstoffs und des verdichteten Oxidationsmittels
zur Erzeugung eines heißen
Rauchgases. Das Verfahren beinhaltet außerdem das Expandieren des
heißen
Rauchgases in einen Expansionsabschnitt, um elektrische Energie
zu erzeugen. Der Expansionsabschnitt ist dazu ausgelegt, das heiße Rauchgas
aufzunehmen und weist wenigstens zwei Stufen auf, wobei die wenigstens
zwei Stufen einen Hochdruckexpander beinhalten, der zur Erzeugung
eines CO2-reichen ersten expandierten Abgases
ausgelegt ist, wobei der Hochdruckexpander fluidmäßig mit
einem Niederdruckexpander gekoppelt ist, der dazu eingerichtet ist ein
erstes Abgas und elektrische Energie zu erzeugen. Das Verfahren
beinhaltet außerdem
das Abscheiden von CO2 aus dem ersten expandierten
Abgas in einem CO2-Abscheider und das Einführen eines
CO2-armen Gases in den Niederdruckexpander.
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Zeichnungen
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Das
Verständnis
dieser und anderer Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden
Erfindung wird erleichtert durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung
im Zusammenhang mit der beigefügten
Zeichnung, in der in der ganzen Zeichnung gleiche Bezugszeichen
gleiche Teile angeben, wobei:
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1 eine
schematische Darstellung eines beispielhaften Energieerzeugungssystems
mit Kohlendioxydabscheidung gemäß bestimmten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
schematische Darstellung eines anderen, zwei Turbinensysteme aufweisenden
beispielhaften Energieerzeugungssystems gemäß bestimmten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine
schematische Darstellung eines weiteren zwei Turbinensysteme enthaltenden
Energieerzeugungssystems gemäß gewissen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist; und
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4 eine
schematische Darstellung eines beispielhaften Wärmetauschersystems zur CO2-Abscheidung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Die
vorliegende Beschreibung erläutert
einen Prozess zur Absenkung von CO2-Emissionen durch
Abscheidung von CO2 bei hohen Drücken in
einer Energieerzeugungsanlage, die Gasturbinen zur Energieerzeugung
einsetzt. CO2 wird aus den Abgasen von dem
CO2-reichen Rauchgas halben Wegs durch den
Expansionsweg einer Gasturbine abgeschieden. Da die Konzentration
und der Partialdruck von CO2 erhöht sind,
ist zur Entfernung des CO2 ein geringerer
Energieverlust in Kauf zu nehmen.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schafft zwei oder mehr beispielhafte
Gasturbinensysteme, die in einem Energieerzeugungssystem so zusammenarbeiten,
dass sie eine gemeinsame Versorgung mit verdichtetem Oxidationsmittel
untereinander aufteilen. Als Ergebnis kann in einem oder mehreren
der Turbinensysteme Verdichtungskapazität zur Verwendung bei der Rückgewinnung von
Kohlendioxyd (CO2) freigesetzt werden, das durch
ein oder mehrere der Gasturbinensysteme erzeugt wird. Bei einem
Ausführungsbeispiel
liefert ein Verdichter in einem ersten Turbinensystem (über Leitungen)
Oxidationsmittel in eine Brennkammer in dem ersten Turbinensystem
und außerdem
in eine Brennkammer in einem zweiten Turbinensystem, wobei ein Verdichter
in dem zweiten Turbinensystem freigesetzt wird. Wie im Nachfolgenden
erläutet
kann diese freigesetzte Verdichterkapazität dazu verwendet werden, die
Konzentration von CO2 in dem Rezirkulationsstrom
in dem zweiten Turbinensystem von dem Abgasauslass einer oder mehrere
der Gasturbinen zu erhöhen.
Das rückgewonnene
CO2 kann als Produkt verkauft oder bspw.
an Ort und Stelle als Einsatz stoff in anderen Prozessen verbraucht
werden. Außerdem
verringert eine solche CO2-Rückgewinnung
die Menge des von dem Energieerzeugungssystem in die Umgebung emittierten
CO2s.
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Bezugnehmend
auf 1 ist dort ein beispielhaftes Energieerzeugungssystem 10 mit
einem Gasturbinensystem 12 veranschaulicht. Das Gasturbinensystem 12 enthält ganz
allgemein einen Verdichterabschnitt 14. Bei einer Ausführungsform
beinhaltet der Verdichterabschnitt 14 wenigstens eine Stufe.
Bei einigen anderen Ausführungsformen,
wie sie in den 1 bis 3 dargestellt
sind, enthält der
Verdichterabschnitt 14 wenigstens zwei Verdichterstufen
und eine Brennkammer 22. Bei einer Ausführungsform weist der Verdichterabschnitt 14 zwei Stufen
auf, wobei ein Niederdruckverdichter 16 fluidmäßig mit
einem Hochdruckverdichter 18 gekoppelt und dazu ausgelegt
ist, verdichtetes Oxidationsmittel 34 in die Brennkammer 22 zu
liefern. Das Energieerzeugungssystem beinhaltet außerdem wenigstens einen
Expansionsabschnitt 24 zur Lieferung der für den Antrieb
der Verdichter 16, 18 und eines Generators 50 erforderlichen
Energie. Die Brennkammer 22 ist dazu ausgelegt, einen Brennstoffstrom 30 und
das verdichtete Oxidationsmittel 34 zu verbrennen und heißes Rauchgas 31 zu
erzeugen.
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Wie
in 1 dargestellt, weist der Expansionsabschnitt 24 typischerweise
wenigstens zwei Stufen auf und ist zur Aufnahme des heißen Rauchgases 31 eingerichtet.
Die zwei Stufen des Expansionsabschnitts 24 beinhalten
einen Hochdruckexpander (Hochdruckexpansionseinrichtung) 26,
der zur Erzeugung eines CO2-reichen expandierten
Abgases 36 ausgelegt ist. Der Hochdruckexpander 26 ist
fluidmäßig mit
einem Niederdruckexpander (Niederdruckexpansionseinrichtung) 28 gekoppelt,
der dazu eingerichtet ist ein endgültiges Abgas 52 zu
erzeugen und den Generator 50 anzutreiben und elektrischen Strom
zu erzeugen.
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Das
Energieerzeugungssystem 10 beinhaltet außerdem ein
CO2-Abscheidesystem 40, das fluidmäßig mit
dem Hochdruckexpander 26 so gekoppelt ist, dass es das
expandierte Abgas 36 aus dem Hochdruckexpander 26 empfängt und
ein CO2-armes Gas 48 zu dem Niederdruckexpander 28 liefert.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform sind der Hochdruckverdichter 18 und
der Niederdruckverdichter 16 durch eine gemeinsame Welle oder
mehrere Wellen 20 angetrieben, und der Niederdruckexpander 28 ist
eine getrennte Turbine, die den Generator auf einer getrennten Welle
antreibt. Im Betrieb ergibt diese Antriebsanordnung Flexibilität beim Antrieb
der Verdichter und der Expander mit unterschiedlichen Drehzahlen,
um ein höheres
Verdichtungsverhältnis
zu erzielen. Außerdem
kann eine solche Gasturbine mit einer Arbeitsturbine im Hinblick auf
Fluidextraktion und Reinjektion einfacher abgewandelt werden.
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Das
Turbinensystem 12 beinhaltet einen Wärmerückgewinnungsdampfgenerator 54 (im
Weiteren HRSG genannt). Der HRSG 54 ist dazu eingerichtet
den Wärmeinhalt
des endgültigen
Abgases 52 des Expanderabschnitts 24 zur Erzeugung
von Dampf 58 und einem gekühlten endgültigen Abgas 56 auszunutzen.
Das in die Atmosphäre
abgelassen gekühlte
endgültige
Abgas 56 ist frei von CO2, weil das
CO2-Abscheidesystem dazu ausgelegt ist den CO2-Gehalt des in der Brennkammer 22 erzeugten heißen Rauchgases 31 abzuscheiden.
Der in dem HRSG 54 erzeugte Dampf 58 wird anschließend in einer
Dampfturbine 60 zur Erzeugung elektrischer Energie und
entspannten Dampfes 61 verwendet. Das von dem entspannten
Dampf 61 abgeschiedene Wasser wird in den HRSG 54 zur
Erzeugung von Dampf rezirkuliert.
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Wie
bei der Ausführungsform
nach 1 dargestellt, beinhaltet das CO2-Abscheidesystem 40 einen
Wärmetauscher 42 und
einen CO2-Abscheider 44. Der CO2-Abscheider 44 kann verschiedene
an sich bekannte Techniken benutzen, einschließlich, aber ohne darauf beschränkt zu sein,
Druckwechseladsorption, chemische Absorption, Membran-Abscheidung
und dergleichen. Um das CO2 aus dem ersten
entspannten Abgasstrom 36 abzuscheiden, wird das erste
entspannte Abgas 36 in den Wärmetauscher 42 eingeleitet,
um die Temperatur abzusenken und ein gekühltes, erstes entspanntes Abgas 38 zu
erzeugen. Das gekühlte
erste entspannte Abgas 38 wird in den CO2-Separator 44 eingeleitet,
um einen CO2-reichen Mediumsstrom 67 und
einen CO2-armen Mediumsstrom 46 zu
erzeugen. Der CO2-arme Mediumsstrom 46 enthält außerdem CO, nicht
reagierten Brennstoff und N2, wenn Luft
als Oxidationsmittel verwendet wird. Der CO2-arme
Mediumsstrom 46 wird in den Wärmetauscher 42 eingeleitet,
um den Wärmeinhalt
des ersten entspannten Abgase 36 oder Wärme aus diesem rückzugewinnen;
er erzeugt einen aufgeheizten, CO2-armen
Mediumsstrom 48. Der CO2-arme Mediumsstrom 48 wird
in den Niederdruckexpander 28 zur weiteren Expansion und
zur Erzeugung elektrischer Energie eingeleitet.
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Zur
Abscheidung von Kohlendioxyd aus einem Gasgemisch kann die Druckwechseladsorption (PSA
= Pressure Swing Adsorption) verwendet werden. Bei PSA-Techniken
können
unter einem hohen Partialdruck Feststoff-Molekularsiebe Kohlendioxyd stärker adsorbieren
als andere Gase. Als Ergebnis wird bei erhöhten Drücken Kohlendioxyd aus dem Gasgemisch
abgetrennt, wenn dieses Gemisch durch ein Adsorptionsbett durch geleitet
wird. Die Regeneration des Bettes geschieht durch Druckentlastung
und Spülen.
Bei kritischen Operationen werden typischerweise mehrere Adsorptionsbehälter zur kontinuierlichen
Abscheidung von Kohlendioxyd verwendet, wobei jeweils ein Adsorptionsbett
im Einsatz ist während
die anderen regeneriert werden.
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Eine
andere Technik zur Abscheidung von Kohlendioxyd aus einem Gasstrom
ist die chemische Absorption unter Verwendung von Oxoden, wie Calciumoxid
(CaO) und Magnesiumoxid (MgO) oder Kombinationen von diesen. Bei
einer Ausführungsform
wird unter erhöhtem
Druck und erhöhter
Temperatur CO2 durch CaO unter Bildung von
Calciumcarbonat (CaCO3) absorbiert, wodurch
CO2 aus dem Gasgemisch entfernt wird. Das
Sorptionsmittel CaO wird durch Kalzinieren (Brennen) von CaCO3 regeneriert, wodurch CaCO3 wieder
zu CaO reformiert wird.
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Zur
Abscheidung von Kohlendioxyd aus einem Gasstrom kann auch eine Membranabscheidungstechnologie
verwendet werden. Membranprozesse sind in der Regel energieeffizienter
und leichter zu handhaben als Absorptionsprozesse. Für eine Hochtemperatur-Kohlendioxydabscheidung
verwendete Membranen umfassen Zeolite und keramische Membranen,
die für
CO2 selektiv sind. Membranseparatoren arbeiten
typischerweise bei höheren
Drücken
effizienter, und die Verwendung eines Membranseparators zur Abscheidung
des Kohlendioxyds aus dem gekühlten
ersten Abgasstrom 38 ist durch den erhöhten Druck am Ausgang des Hochdruckexpanders 26 begünstigt.
Der für
die Abscheidung von CO2 zur Verfügung stehende
höhere
Druck verkleinert außerdem
die Größe des CO2-Separaturs 44, wodurch die Durchführbarkeit
und die Wirtschaftlichkeit des CO2-Abscheideprozesses
verbessert werden. Der Gesamtwirkungsgrad der Energieerzeugung und der
CO2-Abscheidung wird durch die Verwendung
von Hochtemperaturmembranen zum Abtrennen von CO2 weiter
erhöht.
Vorteilhafterweise kann ein Hochtemperaturmembranmaterial verwendet
werden, um eine Abscheidung bei Temperaturen zu gestatten, die so
nah wie möglich
bei der Extraktionstemperatur liegen. Dadurch werden die Größe und der
Kostenaufwand für
den Wärmetauscher 42 verringert.
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Eine
zur Abscheidung von CO2 aus dem ersten entspannten
Abgas 36 verwendete weitere Technik kann auch, ohne darauf
beschränkt
zu sein, eine chemische Absorption von CO2 unter
Verwendung von Aminen beinhalten. Das entspannte Abgas 36 kann
auf eine zur Verwendung einer chemischen Absorption von Kohlendioxyd
unter Einsatz von Aminen geeignete Temperatur abgekühlt werden.
Diese Technik basiert auf Alkanolamin-Lösungsmitteln,
die die Fähigkeit
haben Kohlendioxyd bei verhältnismäßig niederen
Temperaturen zu absorbieren und die durch Erhöhung der Temperatur der angereicherten Lösungsmittel
leicht regeneriert werden können. Nach
der Regenerierung des angereicherten Lösungsmittel wird ein kohlendioxydreicher
Mediumsstrom 67 erhalten. Zu den bei dieser Technik verwendeten
Lösungsmittel
können
beispielsweise gehören: Triethanolamine,
Monoethanolamine, Diethanolamine, Diisopropanolamine, Diglykoamine
und Methyldiethanolamine. Eine andere Technik zur CO2-Abscheidugn
kann physikalische Absorption sein. Zu bemerken ist, dass alle oder
eine Kombination beliebiger der vorstehend beschriebenen Techniken
zur CO2-Abscheidung zur vorteilhaften Abtrennung
von CO2 eingesetzt werden können.
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Der
Wärmetauscher 42 in
dem CO2-Abscheidesystem 40 ist
typischerweise ein Gas/Gas-Wärmetauscher,
der mit zwei Gasströmen
arbeitet, nämlich dem
entspannten Abgasstrom 36 und dem CO2-armen
Strom 46. Das Volumen des entspannten Abgasstromes 36 ist
größer als
das Volumen des aus dem CO2-Abscheider 44 kommenden
CO2-armen Stroms 46, weil CO2 in dem CO2-Abscheider 44 von dem
entspannten Abgasstrom 36 abgetrennt wird. Deshalb kann
die von dem entspannten Abgasstrom 36 in dem Wärmetauscher 42 frei
gesetzte Wärmemenge
nicht vollständig
zum Aufheizen des CO2-armen Stroms 46 verwendet
werden, wobei die Überschusswärme zur
Regenerierung des Lösungsmittels in
dem CO2-Abscheider im Falle der Verwendung
eines chemischen Adsorptionsprozesses eingesetzt werden kann. Bei
einigen Ausführungsformen
kann das CO2-Abscheidesystem außerdem ein
Wasserabscheidesystem beinhalten um Feuchtigkeit aus dem entspannten
Abgas 36 zu entfernen und damit das Volumen des CO2-armen Stroms 46 weiter zu reduzieren.
Durch die Einbringung der Wasserabscheideeinheit wird deshalb die
für die
Lösungsmittelregenerierung
zur Verfügung
stehende Überschusswärme erhöht. Zufolge
dieser effektiven Ausnutzung der Überschusswärme von dem Wärmetauscher 42 wird der
Gesamtwirkungsgrad des Energieerzeugungssystems 10 erhöht. Außerdem kann Überschusswärme auch
in anderer Weise dazu verwendet werden den Gesamtwirkungsgrad des
Energieerzeugungssystems 10 zu verbessern.
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Bei
einigen Ausführungsformen
wird im Betrieb das Oxidationsmittel 32 auf etwa 2 bis
10 bar im ersten Niederdruckverdichter 16 verdichtet und
optional in einem ersten Zwischenkühler 70 heruntergekühlt. Das
grundsätzliche
Prinzip der Zwischenkühlung
beinhaltet eine teilweise Verdichtung des Gases und dessen Kühlung vor
der endgültigen
Verdichtung auf den jeweils gewünschten
Druck bspw. in dem Verdichter 18. Auf diese Weise werden
die Verdichtungsarbeit verringert und damit die Energieabgabe des
Kreisprozesses erhöht.
Da die vor handenen Gasturbinen aeroderivativer Bauart Zwischenkühler aufweisen,
die zwischen den Verdichtungsstufen angeordnet sind, sind keine
weiteren Abänderungen der
Turbinenkonstruktion erforderlich, um die Zwischenkühler in
solchen Systemen einzubauen.
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Das
in den vorherigen Abschnitten beschriebene Energieerzeugungssystem
benutzt mit Vorzug die Anordnung des CO2-Abscheidesystems,
um das in dem Verbrennungsprozess erzeugte CO2 wirkungsvoll
abzutrennen. Wie in 1 dargestellt, wird CO2 nach der Verbrennung abgeschieden und zwar genauer
aus dem Rauchgas, das bei einem Druck halben Wegs durch den Gasturbinenexpander 24 ausgeleitet
wurde. Es ist von Vorteil das CO2 aus einem
unter Druck stehenden Rauchgas zu entfernen, weil die Antriebskräfte für die Separation
steigen und die Anlagengröße und -kosten
abnehmen. Je höher jedoch
der Extraktionsdruck des Rauchgases ist, um so höher ist auch dessen Extraktionstemperatur.
Im Hinblick auf Materialzwänge
ist es zweckmäßig, das CO2-Abscheidesystem auf eine Temperatur von
etwa 700°C
bis etwa 1000°C
auszulegen. Wenngleich der in dem heißen Rauchgasstrom 31 unmittelbar
hinter der Brennkammer 22 zur Verfügung stehende Druck höher ist
als der Druck des ersten entspannten Abgases 36, beruht
der Kompromiss der Anordnung des CO2-Abscheidesystems
auf halben Wege des Expansionsweges auf der hohen Temperatur von
etwa 1300°C
des heißen
Rauchgases 31. Bei Gasturbinen der aeroderivativen Bauart,
wie in 1 dargestellt, ergeben mehrere Verdichtungs- und
Expansionsstufen ein hohes Verdichtungsverhältnis. Das somit der in dem
Verdichterabschnitt erzeugte Druck verhältnismäßig hoch ist, ist der halbenwegs
in dem Expanderabschnitt zur Verfügung stehende Druck ausrei chend
hoch, um ein kostengünstiges
und effizientes CO2-Abscheidesystem aufzubauen.
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2 veranschaulicht
ein beispielhaftes Energieerzeugungssystem 100, das ein
erstes Gasturbinensystem 102 und ein zweites Gasturbinensystem 154 beinhaltet.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform beinhaltet
das erste Gasturbinensystem 102 eine erste Brennkammer 112,
die zur Verbrennung eines ersten Brennstoffstroms 116 ausgelegt
ist und einen ersten Verdichterabschnitt 104, der dazu
eingerichtet ist, einen ersten Anteil verdichteten Oxidationsmittels 124 zu
der ersten Brennkammer 112 zu liefern. Das erste Turbinensystem 102 beinhaltet
außerdem
einen ersten Expanderabschnitt 110 mit einem Einlass zur
Aufnahme des ersten heißen
Rauchgases 113, wobei der erste Expanderabschnitt 110 wenigstens zwei
Stufen aufweist. Wie in 2 dargestellt, beinhaltet der
erste Expanderabschnitt 110 zwei Stufen, die einen ersten
Hochdruckexpander 118 beinhalten, der zur Erzeugung eines
CO2-reichen ersten entspannten Abgases 134 ausgelegt
ist. Der erste Hochdruckexpander 118 ist fluidmäßig mit
einem ersten Niederdruckexpander 120 gekoppelt, der dazu
eingerichtet ist ein erstes endgültiges
Abgas 150 und elektrische Energie zu erzeugen.
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Das
Energieerzeugungssystem 100 beinhaltet außerdem ein
CO2-Abscheidesystem 128, das mit dem
Hochdruckexpander 118 fluidmäßig gekoppelt ist, derart dass
es das erste entspannte Abgas 134 von dem Hochdruckexpander 118 empfängt und CO2-armes Gas 140 zu dem Niederdruckexpander 120 liefert.
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Das
beispielhafte Energieerzeugungssystem 100 kann außerdem ein
zweites Gasturbinensystem 154 mit einem zweiten Verdichterabschnitt 156 beinhalten.
Der zweite Verdichterabschnitt 156 kann zwei Stufen enthalten,
die einen zweiten Niederdruckverdichter 160 beinhalten,
der fluidmäßig mit
einem zweiten Hochdruckverdichter 162 gekoppelt ist. Das zweite
Turbinensystem 154 beinhaltet außerdem eine zweite Brennkammer 170,
die zur Verbrennung eines zweiten Anteils verdichteten Oxidationsmittels 126 und
eines Brennstoffe auf Kohlenstoffbasis enthaltenden zweiten Brennstoffstroms 172 und
zur Erzeugung eines zweiten heißen
Rauchgases 210 ausgelegt ist. Der zweite Anteil verdichteten
Oxidationsmittels 126 wird von dem ersten Verdichterabschnitt 104 des
ersten Turbinensystems 102 zugeführt, wodurch die Verdichterkapazität des zweiten
Turbinesystems 154 zur internen Verdichtung von Rezirkulationsströmen für die Erhöhung der
CO2-Konzentration freigesetzt wird. Das
zweite Turbinensystem 154 beinhaltet außerdem einen zweiten Expanderabschnitt 158,
der zur Aufnahme des zweiten heißen Rauchgases 210 ausgelegt
ist. Der zweite Expanderabschnitt 158 weist außerdem wenigstens
zwei Stufen auf, die einen zweiten Hochdruckexpander 166 beinhalten,
der dazu eingerichtet ist, ein zweites entspanntes Abgas 212 zu
erzeugen. Der zweite Hochdruckexpander 166 ist fluidmäßig mit
einem zweiten Niederdruckexpander 168 gekoppelt, der dazu
eingerichtet ist, ein zweites endgültiges Abgas 167 und über einen
mit dem zweiten Turbinensystem 154 gekuppelten Generator 194 elektrische
Energie zu erzeugen.
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Der
zweite Verdichterabschnitt 156 ist dazu ausgelegt das Kohlendioxid
enthaltende zweite endgültige
Abgas 167 zu empfangen und einen Rezirkulationsstrom 186 an
die zweite Brennkammer 170 und einen Abzweigstrom 188 an
die erste Brennkammer 112 abzugeben. Die zweite Brennkammer 170 ist
zur Verbrennung eines zweiten Brennstoffstroms 172 eingerichtet,
wobei der erste Verdichterabschnitt 104 des ersten Gasturbinensystems 102 dazu
ausgelegt ist, Oxidationsmittel 126 (einen zweiten Anteil des
verdichteten Oxidationsmittels 122) in die zweite Brennkammer 170 zu
liefern.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
beinhaltet das erste Turbinensystem 102 außerdem einen
ersten Wärmerückgewinnungsdampfgenerator 152 (im
Folgenden als HRSG bezeichnet). In ähnlicher Weise beinhaltet das
zweite Turbinensystem 154 typischerweise einen zweiten
Wärmerückgewinnungsdampfgenerator 192 (im
weiteren als HRSG bezeichnet). Das erste endgültige Abgas 150 aus dem
ersten Gasturbinensystem 102 kann in den ersten HRSG 152 eingeleitet
werden, um den Wärmeinhalt
des ersten endgültigen
Abgases 150 rückzugewinnen.
Ein Wasserstrom 208 kann in den ersten HRSG 152 eingeleitet
werden, der seinerseits einen ersten Anteil Dampf 202 unter
wenigstens teilweiser Ausnutzung der aus dem ersten endgültigen Abgasstrom 150 rückgewonnenen
Wärme erzeugen
kann. Das abgekühlte
erste endgültige
Abgas 151 an dem ersten HRSG 152 wird in die Atmosphäre abströmen lassen.
Der in dem zweiten Turbinensystem 154 erzeugte zweite endgültige Abgasstrom 167 kann
in den zweiten HRSG 192 eingeleitet werden. Bei dieser
Ausführungsform
ist der zweite HRSG 192 in der Regel ein HRSG mit geschlossenem
Kreislauf, bei dem typischerweise kein Dampf in die Atmosphäre abgegeben
wird. Der Wärmeinhalt
des zweiten endgültigen
Abgasstroms 167 kann mittels eines Wasserstroms 210 rückgewonnen
werden, um einen zweiten Dampfanteil 201 zu erzeugen. Der
in dem ersten HRSG 152 erzeugte erste Dampfanteil 202 und
der in dem zweiten HRSG 192 erzeugte zweite Dampfanteil 201 können bspw.
in einer Dampfturbine 198 zur Erzeugung elektrischer Energie
mittels eines Generators 200 und von entspanntem Dampf 204 verwendet
werden. Der Wasseranteil in dem entspannten Dampf 204 wird
in einem Abscheider 206 abgeschieden und bei 208 bzw. 210 zu
dem ersten HRSG 152 und dem zweiten HRSG 192 rezirkuliert.
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Bei
den verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen von Energieerzeugungssystemen
ist das Oxidationsmittel Luft. Es versteht sich, dass das verdichtete
Oxidationsmittel 122 von dem ersten Verdichterabschnitt 104 auch
irgendein anderes, Sauerstoff enthaltenden Gas enthalten kann, z.B.
sauerstoffreiche Luft, an Sauerstoff verarmte Luft und/oder reinen
Sauerstoff.
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Der
erste und der zweite Brennstoffstrom 116 und 172 können irgendein
geeignetes Kohlenwasserstoffgas oder eine entsprechende Flüssigkeit enthalten,
wie Erdgas, Methan, Nafta, Butan, Propan, Synthesegas, Diesel Kerosin,
Flugkraftstoff, aus Kohle gewonnener Brennstoff, Biobrennstoff,
oxigeniertes Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial und Mischungen von
diesen und dergleichen. Bei einer Ausführungsform ist der Brennstoff
hauptsächlich
Erdgas (NG = Natural Gas), und deshalb können das erste heiße Rauchgas 113 von
der ersten Brennkammer 112 und das zweite heiße Rauchgas 210 von
der zweiten Brennkammer 170 Wasser, Kohlendioxyd (CO2), Kohlenmonoxyd (CO), Stickstoff (N2) wenn das Oxidationsmittel Luft ist, unverbrannten
Brennstoff und andere Verbindungen enthalten.
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Der
gekühlte
zweite endgültige
Abgasstrom 190 von dem zweiten HRSG 192 wird in
der Regel in einen Gaskühler
und einen Feuchtigkeitsabscheider 196 eingeleitet um das
bei dem Verbrennungsprozess in der zweiten Brennkammer 170 gebildete Wasser
abzuscheiden. Der Abstrom 197 von dem Feuchtigkeitsabscheider 196 beinhaltet
typischerweise wenigstens CO2, CO, N2, und unverbrannte Kohlenwasserstoffe, gegebenenfalls
zusammen mit unkondensiertem H2O. Der Abstrom 197 wird
in der Regel in dem zweiten Verdichterabschnitt 156 zur
Erzeugung eines verdichteten Mediumsstroms 185 verdichtet.
Im Betrieb kann in der anfänglichen
Betriebsphase nach dem Anfahren die CO2-Konzentration
in dem verdichteten Mediumsstrom 185 nicht bedeutend sein,
und deswegen kann der gesamte Strom 185 als Rezirkulationsstrom 186 in
die zweite Brennkammer 170 rezirkuliert werden. Dieser
Rezirkulationsvorgang erhöht
allgemein die CO2-Konzentration in dem verdichteten
Mediumsstrom 185. Sobald die CO2-Konzentration
in dem verdichteten Mediumsstrom 185 ein jeweils gewünschtes
Niveau erreicht, kann ein Abzweigstrom 188 in die erste
Brennkammer 112 eingeleitet werden. Eine (nicht dargestellte) Regelventilanordnung
kann dazu verwendet werden die Abzweigung und Einleitung des Abzweigstroms 188 in
die erste Brennkammer 112 zu regeln. Beispielsweise kann
ein Regelventil in der den Abzweigstrom führenden Leitung vorgesehen
sein und der Betrieb des Regelventils kann mit einem Online-Instrument
oder einem Fühler
verknüpft
sein, das bzw. der die Konzentration von CO2 in
dem verdichteten Mediumstrom 185 misst. Die CO2-Konzentration
in dem aus der ersten Brennkammer 112 austretenden ersten
heißen
Rauchgas 113 wird deshalb dadurch maximiert, dass die CO2-Konzentration
in dem zweiten Turbinensystem durch zweckentsprechende Steuerung
des Rezirkulationsstroms 186 und des Abzweigstroms 188 entsprechend
geregelt wird.
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Bei
der in 2 dargestellten beispielhaften Ausführungsform
wird eine umfassende Kohlendioxydabtrennung erreicht. Das von der
ersten Brennkammer 112 erzeugte erste endgültige Abgas 150 ist im
Wesentlichen frei von Kohlendioxyd, und der in die Atmosphäre abgegebene
abgekühlte
erste endgültige
Abgasstrom 151 setzt im wesentlichen kein Kohlendioxyd
frei. Das in der zweiten Brennkammer 170 erzeugte Kohlendioxyd
kann in dem Rezirkulationsstrom 186 konzentriert und schließlich in
die erste Brennkammer 112 eingespeist werden. Der CO2-Anteil in dem Abzweigstrom 188 wird
gemeinsam mit dem in der ersten Brennkammer 112 erzeugten
CO2 in dem CO2-Abscheidesystem 128 abgeschieden, und
der CO2-Strom 142 kann abhängig von
dem Bedarf an Kohlendioxyd entweder durch Abspeichern entsorgt oder
auf dem Markt verkauft werden. Der in dem CO2-Abscheidesystem
erzeugte CO2-reiche Strom 142 kann
in einem Verdichter 144 verdichtet werden bevor er für die weitere
Verwendung verteilt wird.
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Bei
einigen Ausführungsformen
wird im Betrieb ein Gemisch von Luft (oder Sauerstoff angereicherter
Luft) 114 auf etwa 2 bis 10 bar in dem ersten Niederdruckverdichter 106 verdichtet
und optional in einem zwischen dem ersten Niederdruckverdichter 106 und
dem ersten Hochdruckverdichter 108 angeordneten Zwischenkühler 182 abgekühlt. Das
grundsätzliche
Prinzip der Zwischenkühlung
beinhaltet ein teilweise Verdichten des Gases und dessen anschließende Abkühlung bevor
die endgültige
Verdichtung auf den jeweils gewünschten
Druck erfolgt. Auf diese Weise werden die Verdichtungsarbeit verringert
und damit der Energieausstoß des
Kreisprozesses erhöht.
In ähnlicher
Weise ist ein zweiter Zwischenkühler 184 zwischen
dem zweiten Niederdruckverdichter 160 und dem zweiten Hochdruckverdichter 162 angeordnet,
um optional das verdichtete, zweite endgültige Abgas abzukühlen. Da
die vorhandenen Gasturbinen der aeroderivativen Bauart zwischen
den Verdich tungsstufen angeordnete Zwischenkühler aufweisen, sind keine
weiteren Veränderungen
der Turbinenkonstruktion erforderlich, um die Zwischenkühler in
solche Systeme einzubauen.
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3 veranschaulicht
ein weiteres Energieerzeugungssystem 220, bei dem gleiche
Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Bei
dem beispielhaften Energieerzeugungssystem 220 beinhaltet
das zweite Turbinensystem 154 einen Zwischenerhitzungsbrenner 224,
wobei der Zwischenerhitzungsbrenner 244 zwischen dem zweiten
Hochdruckexpander 166 und dem zweiten Niederdruckexpander 168 angeordnet
ist. Ein Teil des zweiten entspannten Abgases 226 des zweiten Hochdruckexpanders 166 wird
in den Zwischenüberhitzungsbrenner 224 eingeleitet,
der dazu eingerichtet ist, einen dritten Brennstoff 224 zu
erhalten. Der die Verbrennungsprodukte enthaltende Ausgangsgasstrom 230 wird
in den zweiten Niederdruckexpander 168 eingespeist, um
die Erzeugung elektrischer Energie mittels des an das zweite Turbinensystem 154 angekuppelten
Generators 194 zu erhöhen.
Der Zwischenerhitzungsbrenner 224 trägt dazu bei, die einem gegebenen
Verdichtungsverhältnis
mögliche Energieabgabe
zu erhöhen.
Die Temperatur des zweiten heißen
Rauchgases 210 nimmt, nachdem es in dem zweiten Hochdruckexpander 166 eine
Expansion erfahren hat, ab. Da der Teil des zweiten entspannten
Gases 226 dem Zwischenerhitzungsbrenner 224 zugeleitet
wird, wird die Temperatur des Abgabestroms 230 des Zwischenerhitzungsbrenners 224 zufolge
des in dem Zwischenerhitzungsbrenner 224 stattfinden Verbrennungsprozesses
erhöht.
Der heiße
Ausgangsstrom 230 wird zur weiteren Expansion in den Niederdruckexpander 168 eingeleitet,
um elektrische Energie zu erzeugen, wobei wegen dieser Temperaturerhöhung in
dem Auslassstrom 230 die Gesamtenergieabgabe zunimmt.
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4 veranschaulicht
eine beispielhafte Wärmetauschereinheit 300 für das CO2-Abscheidesystem. Bei Ausführungsformen,
bei denen entspanntes Gas 308 aus dem (in 4 nicht
dargestellten) Hochdruckexpander auf die Umgebungstemperatur abgekühlt werden
muss (bspw. wenn ein Aminprozess zur Abscheidung von CO2 aus
den Abgasströmen
verwendet wird) wird das gekühlte
erste entspannte Abgas 304 von dem Wärmetauscher 302 in
einen Niedertemperaturwärmetauscher 306 eingeleitet,
wobei der Niedertemperaturwärmetauscher 306 den
gekühlten
ersten entspannten Abgasstrom 304, der aus dem Wärmetauscher 302 austritt
weiter abkühlt.
Der Niedertemperaturwärmetauscher 306 ist mit
einer Befeuchtungsvorrichtung 320 gekoppelt, wobei die
Befeuchtungsvorrichtung 320 eine Quelle für Feuchtigkeit
ist, die dem von dem CO2-Abscheider 316 abgegebenen
CO2-armen Mediumsstrom 318 zugemischt
wird. Das Wärmetauschersystem 300 kann
außerdem
einen Trimmkühler 312 aufweisen,
der zwischen dem Niedertemperaturwärmetauscher 306 und
dem CO2-Abscheider 316 angeordnet ist,
um die Kühlungsverhältnisse
des ersten entspannten Abgasstromes 308 zu verbessern.
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Die
in vorstehenden Abschnitten beschriebenen Energieerzeugungszyklen
haben mehrere Vorteile. Das CO2-Abscheide3system
ist vorteilhafterweise zwischen dem Niederdruck und dem Hochdruckexpander
angeordnet. Das erste expandierte Abgas von dem Hochdruckexpander
hat eine Temperatur von etwa 700°C
bis etwa 1000°C
aber immer noch einen Druck, der ausreicht, um eine hohe Abscheideeffizienz
von CO2 in dem CO2-Abscheider
im Falle der Verwendung eines Membranseparators oder von PSA zu
erzielen. Außerdem
sind der Raumbedarf und die Kapitalkosten zur Installation des CO2-Abscheide systems verringert, weil das erste
expandierte Abgas einen hohen Druck von etwa 2bar bis etwa 30bar
und eine mäßige Temperatur
von etwa 700°C
bis etwa 1000°C
aufweist. Das hier beschriebene Energieerzeugungssystem ist dazu
ausgelegt, eine umfassende Abtrennung von CO2 zu
erzielen, weil das gesamte von den Brennkammern erzeugte CO2 in das CO2-Abscheidesystem
eingeführt wird.
Bei den Ausführungsformen,
bei denen zwei Turbinensysteme vorhanden sind, werden die Verbrennungsprodukte
des zweiten Turbinensystems in geschlossenem Kreislauf, wie im Vorstehenden
beschrieben, rezirkuliert, um vor der Einleitung in die erste Brennkammer
ein optimales CO2-Konzentrationniveau aufzubauen. Demzufolge
ist das an einem solchen Energieerzeugungssystem in die Atmosphäreabgegebene
Abgas im Wesentlichen frei von CO2.
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Typscherweise
weisen Energieerzeugungskreisprozesse, die eine CO2-Abscheidung
und -Abtrennung beinhalten einen beträchtlichen Abfall (in der Größenordnung
von etwa 10%) des Gesamtkreislaufprozesswirkungsgrads auf, verglichen
mit einem Energiekreisprozess ohne CO2-Abscheidung. Das
im Vorstehenden beschriebene Energieerzeugungssystem hat aber aus
den folgenden Gründen einen
wesentlich geringeren Abfall des Gesamtkreislaufwirkungsgrads zur
Folge. Die Anordnung des CO2-Abscheidesystems
auf halben Weg durch den Expansionsabschnitt und die dadurch erzielte
Erhöhung
der Abscheidewirksamkeit von CO2 durch Verwendung
eines verhältnismäßig hohen
Drucks selbst am Ausgang des Hochdruckexpanders tragen dazu bei
den Gesamtwirkungsgrad des Energiekreisprozesses zu erhöhen. Außerdem erhöhen die
Verwendung eines Zwischenerhitzungsbrenners und die Ausnutzung der
in dem Gas/Gas-Wärmetauscher
in dem CO2-Abscheidesystem erzeugten Überschusswärme den
Wirkungsgrad des Kreisprozesses weiter. Deshalb ist der gesamte
Energieverlust, der bei Energieerzeugungssystemen mit CO2-Abscheidung, wie im Vorstehenden beschrieben,
auftritt, wesentlich geringe als bei gebräuchlichen Energiekreisprozessen
mit CO2-Einfang.
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Wenngleich
lediglich gewisse Merkmale der Erfindung hier dargestellt und beschrieben
sind, so kann der Fachmann doch viele Abwandlungen und Veränderungen
finden. Es ist deshalb darauf hinzuweisen, dass die beigefügten Patentansprüche alle diese
Abwandlungen und Veränderungen
umfassen, so weit sie im Rahmen der Erfindung liegen.