DE102007060929A1

DE102007060929A1 - Verbesserte Systeme und Verfahren zum Verringern von NOx-Emissionen

Info

Publication number: DE102007060929A1
Application number: DE102007060929A
Authority: DE
Inventors: Balachandar Varatharajan; Chellappa Balan; Andrei Tristan Evulet; Ravi Kumar Irvine Vipperla
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2008-06-19
Also published as: US7802434B2; US20080141643A1; RU2436974C2; JP2008180213A; CN101265842B; CN101265842A; RU2007147024A

Abstract

Ein System zum Verringern von NO<SUB>x</SUB>-Emissionen schließt einen Reformer (110), konfiguriert zur Aufnahme eines Brennstoffes (112) und zum Erzeugen eines Wasserstoff-angereicherten Stromes (114), ein Verbrennungssystem (116), konfiguriert zum Verbrennen des Wasserstoff-angereicherten Stromes (114), Erzeugen von Elektrizität und eines Abgasstromes (126) und einen Rekuperator (124) ein, konfiguriert zur Rückgewinnung von Wärme (128) aus dem Abgasstrom, wobei die zurückgewonnene Wärme zum Reformer zurückgeführt wird.

Description

HINTERGRUND
Diese Offenbarung bezieht sich auf ein System zum Verringern von Emissionen in einem Energieerzeugungssystem, das ein mit Wasserstoff angereichertes Brenngas zur Emissions-Verminderung in einem Gasturbinen-Abgas benutzt.
Luftverunreinigungs-Bedenken weltweit haben zu strikteren Emissions-Standards geführt. Diese Standards regeln die Emissionen von Oxiden von Stickstoff, nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC) und Kohlenmonoxid (CO), die als ein Resultat des Betriebes eines Gasturbinentriebwerkes erzeugt werden. Im Besonderen wird Stickstoffoxid in einem Gasturbinentriebwerk als ein Resultat der hohen Flammentemperaturen des Brenners während des Betriebes gebildet.
Der Gebrauch von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen in einem Brenner einer beheizten Turbine ist bekannt. Im Allgemeinen werden Luft und Brennstoff einer Brennkammer zugeführt, wo der Brennstoff in Gegenwart der Luft verbrannt wird, um heißes Gas zu erzeugen. Das heiße Gas wird dann einer Turbine zugeführt, wo es sich zur Erzeugung von Energie abkühlt und ausdehnt. Nebenprodukte der Brennstoff-Verbrennung schließen typischerweise für die Umwelt schädliche Toxine ein, wie Stickstoffoxid und Stickstoffdioxid (kollektiv als NO_X bezeichnet), CO, UHC (z. B. Methan und flüchtige organische Verbindungen, die zur Bildung des atmosphärischen Ozons beitragen) und andere Oxide, einschließlich Oxide von Schwefel (z. B. SO₂ und SO₃).
Es gibt zwei Quellen von NO_X-Missionen bei der Verbrennung eines Brennstoffes. Die Fixierung des atmosphäri schen Stickstoffes in der Flamme des Brenners (bekannt als thermisches NO_X) ist die primäre Quelle von NO_X. Die Umwandlung des im Brennstoff gefundenen Stickstoffes (bekannt als Brennstoff-gebundener Stickstoff) ist eine sekundäre Quelle von NO_X-Emissionen. Die Menge des aus Brennstoff-gebundenem Stickstoff erzeugten NO_X kann durch geeignete Auswahl der Brennstoff-Zusammensetzung und Nachbehandlung des Verbrennungsgases kontrolliert werden. Wie bei allen Wärmekraftmaschinen-Kreisprozessen bedeutet eine höhere Verbrennungstemperatur größere Effizienz. Ein durch die höheren Verbrennungstemperaturen verursachtes Problem ist jedoch die Menge des erzeugten thermischen NO_X. Thermisch erzeugtes NO_X ist eine Exponentialfunktion der Brenner-Flammentemperatur und der Menge, der Zeit, während der sich die Brennstoffmischung bei der Flammentemperatur befindet. Jede Luft-Brennstoff-Mischung hat eine charakteristische Flammentemperatur, die eine Funktion des Luft-zu-Brennstoff-Verhältnisses (ausgedrückt als das Äquivalenz-Verhältnis, φ) der Luft-Brennstoff-Mischung. ist, die in dem Brenner verbrannt wird. Die Menge des erzeugten thermischen NO_X beruht daher auf der Aufenthaltszeit, dem Druck und dem Äquivalenz-Verhältnis einer speziellen Luft-Brennstoff-Mischung. Das Äquivalenz-Verhältnis (φ) ist durch das folgende Verhältnis definiert: φ = (mf/mo)tatsächlich/(mf/mo)stöchiometrisch,wobei "mo" die Masse des Oxidationsmittels und "mf" die Masse des Brennstoffes ist.
Die Rate der NO_X-Produktion ist am höchasten bei einem Äquivalenz-Verhältnis von 1,0, wenn die Flammentemperatur gleich der stöchimetrischen adiabatischen Flammentemperatur ist. Bei stöchiometrischen Bedingungen werden Brennstoff und Sauerstoff vollständig verbraucht. Im Allgemeinen nimmt die Rate der NO_X-Erzeugung ab, wenn das Äquivalenz-Verhältnis abnimmt (d. h., geringer als 1,0 ist und die Luft-Brennstoff-Mischung brennstoffarm ist). Bei Äquivalenz-Verhältnissen von weniger als 1,0 ist mehr Luft und daher mehr Sauerstoff verfügbar als für stöchiometrische Verbrennung erforderlich. Dies führt zu einer geringeren Flammentemperatur, die wiederum die Menge des erzeugten NO_X vermindert. Nimmt jedoch das Äquivalenz-Verhältnis ab, dann wird die Luft-Brennstoff-Mischung sehr brennstoffarm und die Flamme wird nicht gut brennen oder kann instabil und ausgeblasen werden. Übersteigt das Äquivalenz-Verhältnis 1,0, dann gibt es eine Überschussmenge an Brennstoff, die durch den verfügbaren Sauerstoff verbrannt werden kann (brennstoffreiche Mischung). Dies führt auch zu einer Flammentemperatur, die geringer ist als die adiabatische Flammentemperatur und führt zu einer signifikanten Verringerung der NO_X-Bildung, doch wird Brennstoff vergeudet, was ein solches System teuer und ineffizient macht.
Energieerzeugungssysteme nach dem Stande der Technik benutzen mit Wasserstoff angereicherte Ströme in den Gasturbinen zur Verringerung der NO_X-Erzeugung durch verringerte Flammentemperaturen und erhöhte Betriebsfähigkeit. Wasserstofferzeugung kann jedoch teuer sein und diese Energieerzeugungssysteme arbeiten manchmal bei weniger als optimaler Effizienz. Benötigt wird ein Verfahren zum Verringern von NO_X-Emissionen in Energieerzeugungssystemen durch den Einsatz eines mit Wasserstoff angereicherten Stromes, während die Kosten der Produktion sowohl der Energie als auch des Wasserstoffes verringert werden, was zu verbesserten Gewinnen in der Systemeffizienz als auch der Betriebsfähigkeit führt.
Es bleibt daher ein Bedarf an einem verbesserten Energieerzeugungssystem, das wasserstoffreiche Brenngase benutzt, die Gasturbinen-Emissionen vermindern können, ohne an einem Verlust der Prozess-Effizienz zu leiden.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Offenbart hierin sind Systeme und Prozesse zur Verringerung schädlicher Emissionen in einem Energieerzeugungssystem. In einer Ausführungsform schließt ein System zum Verringern von NO_X-Emissionen einen Reformer, der zur Aufnahme eines Brennstoffes und zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Stromes konfiguriert ist, ein Verbrennungssystem, das zum Verbrennen des wasserstoffreichen Stromes und zur Erzeugung von Elektrizität und einem Abgasstrom konfiguriert ist und einen Rekuperator ein, der zum Rückgewinnen von Wärme aus dem Abgasstrom konfiguriert ist, wobei die rückgewonnene Wärme zu dem Reformer zurückgeführt wird.
In einer anderen Ausführungsform schließt ein System zum Verringern von NO_X-Emissionen einen Reformer, konfiguriert zur Aufnahme eines Brennstoffes und zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Stromes, wobei der wasserstoffreiche Strom Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und den Brennstoff umfasst, eine Trenneinheit in Strömungsmittel-Verbindung mit dem Reformer, wobei die Trenneinheit zur Aufnahme des wasserstoffreichen Stromes zum Abtrennen des Kohlendioxids von dem wasserstoffreichen Strom und zum Erzeugen eines Kohlendioxid-reichen Stromes konfiguriert ist, ein Verbrennungssystem in Strömungsmittel-Verbindung mit dem Reformer und der Trenneinheit, einschließend einen Brenner, umfassend eine erste Stufe und eines zweite Stufe, konfiguriert zur Aufnahme des wasserstoffreichen Stromes und des Kohlendioxid-reichen Stromes, wobei der wasserstoffreiche Strom in der ersten Stufe verbrannt und der Kohlendioxid-reiche Strom in der zweiten Stufe verbrannt wird und worin der Brenner Wärmeernergie und einen heißen komprimierten Mischgasstrom erzeugt und einen Gasturbinen-Generator in Strömungsmittel-Verbindung mit dem Brenner, worin der Gasturbinen-Generator konfiguriert ist, den heißen komprimierten Mischgasstrom zu expandieren und elektrische Energie und einen Abgasstrom zu erzeugen und einen Rekuperator in Strömungsmittel-Verbindung mit dem Verbrennungssystem ein, konfiguriert zur Rückgewinnung von Wärmeenergie aus dem Brenner und dem Abgas strom, wobei die rückgewonnene Wärme zum Reformer zurückgeführt wird.
Ein Verfahren zum Verringern von NO_X-Emissionen schließt das Reformieren eines Brennstoffes mit einem Reformer zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Stromes, wobei der wasserstoffreiche Strom Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und den Brennstoff umfasst, Abtrennen des Kohlendioxids von dem wasserstoffreichen Strom mit einer Trenneinheit zur Erzeugung eines Kohlendioxid-reichen Stromes, Verbrennen des Wasserstoffreichen Stromes in einer ersten Stufe eines Brenners, Verbrennen des Kohlendioxid-reichen Stromes in einer zweiten Stufe des Brenners, wobei das Verbrennen in der ersten Stufe und der zweiten Stufe Wärmeenergie und einen heißen komprimierten Mischgasstrom erzeugt, Expandieren des heißen komprimierten Mischgasstromes zur Erzeugung von Elektrizität und einem Abgasstrom, Rückgewinnen der Wärmeenergie aus dem Brenner und Abgasstrom und Rückführen der rückgewonnenen Wärmeenergie zum Reformer ein.
Die oben beschriebenen und andere Merkmale werden beispielhaft durch die folgenden Figuren und die detaillierte Beschreibung erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Figuren sind beispielhafte Ausführungsformen, in denen gleiche Elemente gleiche Bezugsziffern tragen.
1 zeigt ein schematisches Prozess-Fließdiagram eines ersten beispielhaften Energieerzeugungssystems;
2 veranschaulicht graphisch die Variation von Emissionen und die Betriebsfähigkeit mit dem Brennstoff-zu-Luft-Verhältnis bei der Verbrennungszonen-Temperatur und die Betriebsfähigkeit eines Brenners, der einen Wasserstoffangereicherten Brennstoff benutzt;
3 zeigt ein schematisches Prozess-Fließdiagramm eines beispielhaften Reformersystems;
4 zeigt ein schematisches Prozess-Fließdiagramm eines anderen beispielhaften Reformersystems; und
5 zeigt ein schematisches Prozess-Fließdiagramm noch eines anderen beispielhaften Reformersystems.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Verbesserte Energieerzeugungssysteme und Verfahren zum Verringern von Stickoxid(NO_X)-Emissionen in Einzelzyklus-Gasturbinen sind hierin offenbart. Im Gegensatz zu Energieerzeugungssystemen nach dem Stande der Technik benutzen die hierin offenbarten Systeme Wasserstoff-angereicherten Brennstoff mit geringer Wasserstoff-Konzentration zum Verringern der Flammentemperatur in einem Brenner und Entnahme und Rückführung der Energie von einem Verbrennungs-Abgasstrom zur Erhöhung der Prozess-Effizienz und zum Verringern der Reformierungskosten. Darüber hinaus sind die offenbarten Systeme anpassbar an existierende Energieerzeugungssysteme zur Schaffung der gleichen verringerten Reformierungskosten und verbesserten Effizienzen. Die hierin benutzte Terminologie dient der Beschreibung, nicht der Beschränkung. Spezifische strukturelle und funktionelle Einzelheiten, die hierin offenbart sind, sind nicht als begrenzend zu interpretieren, sondern lediglich als eine Grundlage für die Ansprüche und eine repräsentative Quelle, um den Fachmann die Anwendung der Erfindung zu lehren. Die Begriffe "erste", "zweite" und ähnliche, wie sie hierin benutzt werden, bezeichnen keine Reihenfolge oder Wichtigkeit, sondern werden benutzt, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Begriffe "der/die/das", "ein" und "eine" bezeichnen keine Beschränkung der Menge, sondern die Anwesenheit mindestens eines der angesprochenen Gegenstände. Alle auf die gleiche Menge einer gegebenen Komponente oder Messung gerichteten Bereiche schließen die Endpunkte ein und sind unabhängig kombinierbar.
In 1 ist ein beispielhaftes Einzelzyklus-Energiesystem 100 dargestellt. Das System 100 umfasst einen Reformer 110, der zum Reformieren eines Brennstoffes 112 zur Erzeugung eines Wasserstoff-angereicherten Stromes 114 konfiguriert ist. Der Wasserstoff-angereicherte Strom 114 wird mit einem zusätzlichen Brennstoff 120 und einem Oxidationsmittel 122 vermischt und in ein Verbrennungssystem 116 eingeführt und dort verbrannt, um Energie, z. B. Elektrizität, zu produzieren, die mit einem Stromnetz 118 verbunden werden kann.
Das System 100 erzeugt Energie, während NO_X-Verunreinigungen durch den Gebrauch des Wasserstoff-angereicherten Stromes 114 mit einer geringen Konzentration an Wasserstoff verringert werden. Der Wasserstoff-angereicherte Brennstoff vermindert die Flammentemperatur des Verbrennungssystems 116, verglichen mit dem Einsatz von Brennstoff, z. B. Erdgas, allein. Wie vorher erläutert, ist die Flammentemperatur eine Funktion des Äquivalenz-Verhältnisses, wobei das Äquivalenz-Verhältnis ein Maß des Brennstoff-zu-Oxidationsmittel-Verhältnisses im Verbrennungssystem ist. Bei einem Äquivalenz-Verhältnis von 1,0 sind stöchiometrische Bedingungen erreicht und die Flammentemperatur ist die höchste. Es ist bei diesen hohen Flammentemperaturen, bei denen typischerweise das meiste NO_X erzeugt wird. Bei Äquivalenz-Verhältnissen von weniger als 1,0 befindet sich das Verbrennungssystem 116 im "mageren" Zustand und die NO_X-Produktion nimmt rasch ab. Ein Verbrennungssystem kann unter mageren Bedingungen durch Verringern des Brennstoffflusses oder durch Erhöhen des Oxidationsmittelflusses arbeiten, das Fenster der Betriebsfähigkeit unter diesen Bedingungen ist jedoch beschränkt und es können Probleme des Flammenausblasens auftreten. Ist die Flammentemperatur zu gering, dann können sehr viel Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe resultieren. Durch Dotieren des Brennstoffes mit Wasserstoffgas ist wegen der geringeren Entflammbarkeitsgrenze des Wasserstoffes ein größeres Betriebsfähigkeits-Fenster möglich. Die Zugabe des Wasserstoff-angereicherten Stromes 114 zu dem Verbrennungssystem 116 hält vorteilhafterweise eine stabile Brennstoffzufuhr aufrecht, während die Ver-unreinigungsmittel-Produktion minimiert wird, im Gegensatz zu dem Versuch, Emissionen durch Oszillation in der Brennstoffzufuhr zu kontrollieren, was zu einer physischen Beschädigung des Verbrennungssystems führen kann.
2 zeigt eine graphische Darstellung des verbesserten Betriebsfähigkeits-Fensters für verringerte NO_X-Emissionen durch Einsatz von Wasserstoff-angereichertem Brennstoff gegenüber Brennstoff, z. B. Erdgas, allein. Durch Dotieren von Erdgas mit Wasserstoff wird ein größeres Betriebsfähigkeits-Fenster zum Erzeugen von Energie und gleichzeitig zum Aufrechterhalten geringer Emissionen erzeugt. Um dieses verbesserte Betriebsfähigkeits-Fenster zu erzielen, ist nur eine geringe Konzentration an Wasserstoff erforderlich. Vorzugsweise weniger als etwa 10 Volumenprozent (Vol.-%) und bevorzugter 1 Vol.-% bis etwa 3 Vol.-% Wasserstoff sind im Brennstoff erforderlich. Während eine solche Konzentration schädliche Emissionen verringert und die Leistungsfähigkeit des Brenners verbessert, bedeutet die geringe Konzentration an Wasserstoff auch verringerte Reformierungskosten gegenüber Systemen, die hohe bis im Wesentlichen reine Konzentrationen an Wasserstoff benutzen. Wie detaillierter im Folgenden erläutert, können Reformer, wie katalytische Partialoxidations(CPO)-Reformer benutzt werden, weil eine solche Reformierung ein Reformat mit relativ geringen Wasserstoff-zu-Kohlenmonoxid-Verhältnissen erzeugt.
In 1 umfasst das System 100 weiter einen Rekuperator 124. Der Rekuperator 124 wandelt vorteilhafterweise die Wärme des Abgasstromes 126, die sonst in diesem Einzelzyklussystem verloren gehen würde, in Rückführungswärme 128 zum Reformer 110 um. Wahlweise kann der Rekuperator 124 weiter Dampf 130 aus dem Abgasstrom 126 zum Reformieren des Brennstoffes 112 erzeugen. Der Rekuperator 124 wandelt nützlicherweise ansonsten verlorengehende Wärme des Verbrennungssystems 116 in durch den Reformer 110 benutzte Energie um. Das Rückführen verbessert die gesamte Prozesseffizienz, während die Betriebskosten des Reformers 110 weiter verringert werden.
Der Reformer 110 kann irgendein Reformer sein, der zur Erzeugung eines Wasserstoff-angereicherten Brennstoffstromes geeignet ist. 4 und 5 zeigen zwei beipielhafte Reformierungssysteme 300 und 400. Reformersystem 300 der 4 umfasst einen Dampf-Vorreformer 310. Die Kombination von Brennstoff 312 mit Wärme 328 und Dampf 330, die beide vom (nicht gezeigten) Rekuperator zurückggeführt sein können, fördert die Reformierung des Brennstoffes, z. B. Erdgas, wie in den folgenden Reaktionen 1 und 2 gezeigt. C_nH_m + n H₂O → n CO + (m/2 + n) H₂ (1) CO + H₂O → CO₂ + H₂ (2)
Die Reformierungs-Reaktion 1 findet in Gegenwart eines geeigneten Dampf-Reformierungs-Katalysators, wie Nickel, statt. Die Reformierungs-Reaktion 1 ist stark endotherm, daher wird der Wärmestrom 328 vom Rekuperator zum Vorreformer 310 zurückgeführt, um Wärme für die Reaktion zu liefern. Der Reformierungsprozess führt zur Bildung eines reformierten Gases (üblicherweise als Synthesegas bekannt), das als Wasserstoff-angereicherter Strom 314 bezeichnet wird. Der Wasserstoff-angereicherte Strom 314 umfasst Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Wasserstoff (H₂), nicht verbrauchten Brennstoff und Wasser. Der Wasserstoff-angereicherte Strom 314 kann gegebenenfalls vor dem Eintreten in das (nicht gezeigte) Verbrennungssystem vorbehandelt werden. Ein Kühler 332 und eine Wasserentfernungsstufe 334, durch gestrichelte Linien als Wahlkomponenten des Reformersystems 300 bezeichnet, können benutzt werden, um zu kühlen und Wasser aus dem Wasserstoff-angereicherten Strom 314 zu entfernen.
5 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform eines Reformersystems 400. Das Reformersystem 400 umfasst einen katalytischen Partialoxidations(CPO)-Reformer 410 statt des Dampf-Vorreformers von System 300. Zur CPO-Reformierung wird ein Oxidationsmittel 422 in Verbindung mit einem Brennstoff 412 und Dampf 430 zur Bildung des Wasserstoff angereicherten Stromes 414 benutzt. CPO-Reformieren findet in zwei Reaktionsstufen 3 und 4 statt, wie sie unten gezeigt sind. C_nH_m + n/2 O₂ → n CO + m/2 H₂ (3) C_nH_m + n H₂O → n CO + (m/2 + n) H₂ (4)
Die Reaktion 3 ist exotherm, während die Reaktion 4 endotherm ist. Der Brennstoff 412 wird mit dem Oxidationsmittel 422 vermischt und gleichzeitig in Reaktion 3 teiloxidiert und dampfreformiert in Reaktion 4. Wahlweise können mehr Wasserstoff und CO₂ durch Fortsetzen der Reformierung durch eine dritte Reaktion 5 erzeugt werden. CO + H₂O ↔ H₂ + CO₂ (5)
Die Reaktion 5 ist als eine Wasser-Gas-Verschiebungsreaktion bekannt und sie wird in Gegenwart eines Katalysators ausgeführt. Das durch diese Reaktion erzeugte CO₂ kann vorteilhafterweise abgetrennt und in dem (nicht gezeigten) Verbrennungssystem benutzt werden, wie weiter unten detaillierter beschrieben werden wird. Wie das Dampf-Reformierungssystem 300 oben, kann das CPO-Reformierungssystem 400 auch einen Kühler 432 und eine Wasser-Entfernungsstufe 434 einschließen, die durch gestrichelte Linien als Wahlkomponenten des Reformersystems 400 bezeichnet sind, um zu kühlen und Wasser aus dem Wasserstoff-angereicherten Strom 414 zu entfernen.
Im Betrieb werden die Reformer optimiert, um einen Wasserstoff-angereicherten Strom zu erzeugen, dessen Wasser stoff-Konzentration geringer als etwa 10 (Gew./Vol.)-Prozent ist. Bei dieser geringen Konzentration ist das offenbarte Energieerzeugungssysteme in der Lage, bei verringerten Kosten gegenüber Systemen zu arbeiten, die hochkonzentrierte oder sogar reine Wasserstoff-Zuführungsströme in ihren Brennern benutzen. Durch Einsetzen einer geringen Konzentration an Wasserstoff in dem Brennstoff werden Reformer-Betriebskosten verringert und eine teuere Trennausrüstung zur weiteren Erhöhung der Wasserstoff-Konzentration ist unnötig.
In 1 tritt der Wasserstoff-angereicherte Strom 114 in das Verbrennungssystem 116 ein. Das Verbrennungssystem 116 kann weiter einen Kompressor 132, einen Brenner 134 und einen Gasturbinen-Generator 136 umfassen. Der in den Brenner 134 des Verbrennungssystems 116 eintretende Wasserstoffangereicherte Strom 114 mag nicht genügend heiß und unter Druck gesetzt sein, um die Gasturbine 136 anzutreiben. Daher kann der Strom 114 mit zusätzlichem Brennstoff 120 und Oxidationsmittel 122 verstärkt werden. Nach der Zugabe zusätzlichen Brennstoffes 120 und Oxidationsmittels 122 zu dem Brenner 134 ist der gemischte Gasstrom 138 genügend heiß und steht genügend unter Druck, um den Gasturbinen-Generator 136 wirksam anzutreiben, was in der effizienten Produktion von Elektrizität, die dem Stromnetz 118 zugeführt wird, und einem heißen Abgasstrom 126 resultiert, der durch den Rekuperator 124 zurückgewonnen wird.
Die Brennstoffe 112 und 120 können ein geeignetes Gas oder eine solche Flüssigkeit umfassen, wie, z. B., Erdgas, Methan, Naphtha, Butan, Propan, Diesel, Kerosin, einen Flugzeugbrennstoff, einen Brennstoff von Kohle, einen Biobrennstoff, einen mit Sauerstoff versehenen Kohlenwasserstoff und Mischungen, die ein oder mehrere der vorgenannten Brennstoffe umfassen. In einigen Ausführungsformen kann der Brennstoff vorzugsweise Erdgas umfassen. Das Oxidationsmittel 122 kann irgendein geeignetes sauerstoffhaltiges Gas umfassen, wie, z. B., Luft, sauerstoffreiche Luft, sauerstoffarme Luft, reinen Sauerstoff und Ähnliche. Wie oben ausgeführt, kann der Wasserstoff angereicherte Strom 114 Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, unbenutzten Brennstoff und Wasser umfassen. Für das System, wie es hierin offenbart ist, hat der Wasserstoff-angereicherte Strom vorzugsweise weniger als etwa 10 Gew./Vol.-Prozent Wasserstoff und noch bevorzugter etwa 1 Gew./Vol.-Prozent bis etwa Gew./Vol.-Prozent. Die Menge an Wasserstoff in dem Strom 114 reicht gerade, um das Betriebsfähigkeits-Fenster der Flammentemperatur zu vergrößern, wie in 2 gezeigt. Erhöhte Konzentrationen an Wasserstoff resultieren in erhöhten Ausrüstungs- und Betriebs-Kosten ebenso wie möglicherweise nachteiliger Auswirkung zunehmender NO_X-Emissionen im System.
Im Betrieb wird das komprimierte Oxidationsmittel 122 dem Brenner 134, vermischt mit dem zusätzlichen Brennstoff 122 und dem Wasserstoff-angereicherten Strom 114, zugeleitet und gezündet. In einigen Ausführungsformen können die Brenner im Brenner 134 vorgemischte Mischungen aus Brennstoff 114 und 120 und Oxidationsmittel 122 benutzen und sie können vorgemischte Wirbelstrom-Systeme oder nicht wirbelnde Strömungssysteme umfassen. Es können auch radiale, axiale und/oder doppelt gegenrotierende Verwirbeler benutzt werden. Der Brenner 134 erzeugt Wärmeenergie und heiße komprimierte gemischte Gase 138, die zum Gasturbinen-Generator 136 geschickt werden. Man lässt die komprimierten gemischten Gase 138 sich ausdehnen, um die Turbine anzutreiben, und lässt sie anschließend als Abgasstrom 126 zum Rekuperator 124 ab. Die Rotation der Turbine durch die expandierten gemischten Hochdruckgase kann mittels eines Generators des Gasturbinen-Generators 136 in einer dem Fachmann allgemein bekannten Weise in elektrische Energie umgewandelt werden. Die elektrische Energie kann dann zu dem Stromnetz 118 geschickt werden.
Wahlweise kann der Brenner 134 mehrere Betriebsstufen haben. In einer ersten Stufe kann der Wasserstoff-angereicherte Strom 114 in den Brenner 134 injiziert werden. Wie oben erklärt, verringert der wasserstoffreiche Brennstoff die Flammentemperatur, während die magere Ausblasgrenze erhöht wird.
Der Brenner ist daher in der Lage, bei einer verringerten Temperatur zu arbeiten und somit NO_x-Emissionen zu vermindern, ohne an der Betriebsfähigkeit zu leiden, wie einem Ausblasen der Flamme. In einer zweiten Stufe kann ein CO₂-reicher Strom 121 nach der Injektion des Wasserstoff-angereicherten Stromes 114 in den Brenner injiziert werden. Der CO₂-reiche Strom 121 wird injiziert, um den Wasserstoff-angereicherten Brennstoff in der zweiten Stufe in Luft vorzumischen und die Flammentemperatur weiter zu verringern. Durch Einsatz eines CO₂-reichen Stromes in dem Brenner, kann das Hochdruckpotenzial des Stromes durch Ausdehnen des Gases über die Turbine zur Erzeugung von Energie ausgenutzt werden. Wie beschrieben, verringert das Abstufen des Wasserstoff-angereicherten Brennstoffstromes innerhalb des Brenners NO_x-Emissionen durch weiteres Verringern der Flammentemperaturen.
Dieser wahlweise CO₂-reiche Strom 121 kann mittels eines zweiten Reformers produziert werden, der bei einem anderen Temperaturregime als das Reformersystem 300 arbeitet, um einen CO₂-reichen Brennstoffstrom in einer dem Fachmann bekannten Weise zu erzeugen. Alternativ kann das CO₂ unter Benutzung des Reformersystems 400 nach dem Auftreten der Wasser-Gas-Verschiebungsreaktion 5 mit einer Trennvorrichtung einer (nicht gezeigten) Trenneinheit abgetrennt werden. Die CO₂-Trenneinheit kann verschiedene im Stande der Technik bekannte Techniken anwenden, einschließlich Druckänderungs-Adsorptionen, chemischer Adsorptionen und Membrantrennung, um CO₂ vom Wasserstoff-angereicherten Strom abzutrennen.
Druckänderungs-Adsorption (PSA) kann zum Abtrennen von Kohlendioxid von einer Mischung von Wasserstoff enthaltenden Gasen benutzt werden. Bei PSA-Techniken können bei hohem Partialdruck feste Molekularsiebe Kohlendioxid fester adsorbieren als Wasserstoff. Als ein Resultat wird bei erhöhten Drucken Kohlendioxid aus der Mischung von Gasen, die Wasserstoff enthalten, entfernt, wenn diese Mischung durch ein Adsorptionsbett geleitet wird. Die Regeneration des Bettes erfolgt durch Druck herabsetzung und Reinigung. Für kritische Operationen wird eine Vielzahl von Adsorptionsgefäßen für die kontinuierliche Abtrennung von Kohlendioxid benutzt, wobei ein Adsorptionsbett benutzt wird, während die anderen regeneriert werden.
Eine andere Technik zum Abtrennen von Kohlendioxid aus einem Gasstrom ist die chemische Absorption unter Einsatz von Oxiden, wie Calciumoxid (CaO) und Magnesiumoxid (MgO) oder eine Kombination davon. In einer Ausführungsform bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur wird CO₂ durch CaO unter Bildung von Calciumcarbonat (CaCO₃) absorbiert, wodurch CO₂ aus der Gasmischung entfernt wird. Das Sorptionsmittel CaO wird regeneriert durch Calcinationen von CaCO₃, was CaCO₃ wieder in CaO umformt.
Die Membrantrenn-Technologie kann auch zum Abtrennen von Kohlendioxid aus einem Gasstrom benutzt werden. Membran-Prozesse sind im Allgemeinen energieeffizienter und leichter zu betreiben als Absorptionsprozesse. Die für die Abtrennung von Kohlendioxid bei hoher Temperatur eingesetzten Membranen schließen Zeolith- und Keramik-Membranen ein, die selektiv für CO₂ sind. Die Trennwirksamkeit von Membran-Technologien ist jedoch gering und die vollständige Abtrennung von Kohlendioxid mag durch Membrantrennung nicht erreicht werden. Typische Membran-Separatoren arbeiten wirksamer bei hohen Drucken und der Einsatz eines Membran-Separators zum Abtrennen des Kohlendioxids aus dem Ausgangsstrom 60 vom Verschiebungsreaktor 56 kann erzielt werden durch weitere Kompression des Ausgangsstromes 60 vor der Abtrennung von CO₂.
Noch eine andere Technik, die zum Abtrennen von CO₂ aus Wasserstoff-angereichertem Strom 114 benutzt wird, kann chemische Absorption von CO₂ unter Einsatz von Aminen einschließen, darauf jedoch nicht beschränkt. Der Wasserstoffangereicherte Strom 114 kann auf eine geeignete Temperatur gekühlt werden, um die chemische Absorption von Kohlendioxid unter Einsatz von Aminen anzuwenden. Diese Technik beruht darauf, dass Alkanolamin-Lösungsmittel die Fähigkeit haben, Kohlendioxid bei relativ geringen Temperaturen zu absorbieren, und sie werden einfach regeneriert durch Erhöhen der Temperatur der angereicherten Lösungsmittel. Ein Kohlendioxid-reicher Strom wird erhalten nach dem Regenerieren des angereicherten Lösungsmittels. Die bei dieser Technik eingesetzten Lösungsmittel können Triethanolamin, Monoethanolamin, Diethanolamin, Diisopropanolamin, Diglykolamin und Methyldiethanolamin einschließen.
In einigen Ausführungsformen kann der Kohlendioxid-Separator mindestens ein Adsorptionsbett umfassen, in dem eine PSA-Technik benutzt wird, um das Kohlendioxid aus dem Wasserstoff-angereicherten Strom abzutrrennen. In einigen anderen Ausführungsformen kann der Kohlendioxid-Separator mindestens ein Absorptionsgefäß umfassen, wo eine chemische Absorptions-Technik benutzt wird. In noch einer anderen Ausführungsform umfasst der Kohlendioxid-Separator mindestens einen Membran-Separator. Unter Anwendung der hier beschriebenen verschiedenen Techniken kann ein Kohlendioxid-reicher Strom von der Trennvorrichtung erzeugt werden.
Durch Zuführen eines Wasserstoff-angereicherten Brennstoffes und eines wahlweisen CO₂-reichen Stromes zum Brenner können Umwelt-Verunreinigungen, insbesondere NO_X-Emissionen, von 9 Teilen pro Million (ppm) auf etwa 3 ppm oder weniger vermindert werden. Dies ermöglicht es den gegenwärtigen Energieerzeugungssystemen, die zunehmend strengeren EPA-Emissionsstandards zu erfüllen. In Energiesystemen nach dem Stande der Technik ist zusätzliche Ausrüstung für die weitere Behandlung der Verbrennungs-Abgase erforderlich, um Emssionsstandards zu erfüllen, wie selektive katalytische Reduktions (SCR)-Systeme, NO_X-Fallen und Ähnliches. Solche Ausrüstung ist nicht nur teuer, sondern sie erfordert auch zusätzlichen Raum, der bei existierenden Energiesystemen begrenzt sein kann. Weil das hier offenbarte System vorteilhaft Emissionen innerhalb des Brenners verringert, ist das einzige zusätzliche Merkmal, das für solche existierenden Energiesysteme erforderlich ist, der Rekuperator, der weniger Raum und Investitionen gegenüber den oben beschriebenen Nachbehandlungs-Vorrichtungen nach der Verbrennung erfordert. Darüber hinaus gewinnt der Rekuperator vorteilhafterweise die Wärme, die sonst aus dem Verbrennungssystem verloren geht, und verringert als ein Resultat die Betriebskosten des Reformersystems.
Der Rekuperator 124 kann irgendeine bekannte Art von Wärmeaustauscher sein, bei dem die Wärmeenergie vom Brenner und dem Abgasstrom 126 in einen, z. B., komprimierten Luftstrom übertragen werden kann, ohne die beiden Ströme zu mischen. Durch Erhitzen des komprimierten Luftstromes mit dem Abgasstrom 126 werden die Kosten konventioneller Erhitzer oder regenerativer Erhitzer zum Erhöhen der Temperatur des Reformers 110 vermieden und der Abgasstrom 126 wird abgekühlt, bevor er in die Atmosphäre gelangt. Wahlweise kann die Wärmeenergie des Verbrennungssystems 116 weiter einen einströmenden Wasserstrom erhitzen, um Dampf 130 zu erzeugen, der dann zum Reformer 110 zurückgeführt werden kann.
In 3 ist ein kombiniertes Zyklussystem 150 gezeigt, das einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG) 152 anstelle des Rekuperators 124 im Einzelzyklussystem 100 aufweist. Der HRSG 152 nutzt die Abfallwärme des Abgases 126 der Gasturbine 136, um Dampf 156 zu erzeugen und Wärme für den Reformer 110 bereitzustellen. Wasser 154 wird durch den HRSG 152 geleitet. Die hochwertige Wärme des Gasturbinen-Abgases 126 wird auf das Wasser übertragen, um Dampf 156 und eine minderwertige Wärme 160 zu bilden. Ein Teil des Dampfes 156 wird zu einer Dampfturbine 158 geschickt, wo der Dampf expandiert und gekühlt wird, wodurch mechanische Energie erzeugt wird. Die mechanische Energie wird danach durch einen Generator in elektrische Energie umgewandelt und zu einem Stromnetz 118 geschickt. Wahlweise kann der expandierte gekühlte Strom die Dampfturbine 158 verlassen und in einem Kondensator weiter gekühlt und kondensiert werden, um Wasser 154 für den HRSG 152 zu bilden, was eine Rückführungsschleife bildet und die Effizienz des Gesamtsystems erhöht.
Die übrige minderwertige Wärme 160 des Dampfturbinen-Abgases 126 wird zu einem isothermen Niedertemperatur-Reformer 110 geschickt, der die minderwertige Wärme 160 zum Antreiben der endothermen Reformierungsreaktion und zum Reformieren des Brennstoffes 112 nutzt. Die minderwertige Wärme 160 wird durch den Reformer 110 extrahiert und das resultierende gekühlte Abgas wird zu einem Schornstein geschickt, um es in die Atmosphäre abzulassen.
Wie hierin offenbart, schließen die oben erläuterten Systeme und Prozesse den Einsatz eines mit geringer Wasserstoffkonzentration angereicherten Brennstoffes in dem Verbrennungssystem ein, wobei ein Rekuperator die minderwertige Gasturbinen-Abgaswärme zum Reformer zurückführt, was die magere Ausblasgrenze verbessert, schädliche Emissionen verringert und die Systemeffizienz erhöht, alles während Betriebskosten verringert werden. Der Reformer ist vorteilhafterweise isotherm konfiguriert und arbeitet bei geringen Temperaturen, wodurch er in der Lage ist, die minderwertige Wärme des Gasturbinen-Abgases zu nutzen, um den Brennstoff zu reformieren und einen Wasserstoff-angereicherten Brennstoff zu produzieren. Das obige System kann auch vorteilhafterweise an ein existierendes Energieerzeugungssystem angepasst werden, um sich ändernde Umwelt-Emissionsstandards zu erfüllen.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, sollte dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Änderungen ausgeführt und Äquivalente für Elemente davon eingesetzt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine besondere Situation oder ein besonderes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne deren wesentlichen Umfang zu verlassen. Die Erfindung soll daher nicht auf die offenbarte spezielle Ausführungs form als der besten Art zur Ausführung dieser Erfindung beschränkt sein, sondern die Erfindung wird alle Ausführungsformen einschließen, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Ein System zum Verringern von NO_X-Emissionen schließt einen Reformer 110, konfiguriert zur Aufnahme eines Brennstoffes 112 und zum Erzeugen eines Wasserstoff-angereicherten Stromes 114, ein Verbrennungssystem 116, konfiguriert zum Verbrennen des Wasserstoff-angereicherten Stromes 114, Erzeugen von Elektrizität und eines Abgasstromes 126 und einen Rekuperator 124 ein, konfiguriert zur Rückgewinnung von Wärme 128 aus dem Abgasstrom, wobei die zurückgewonnene Wärme zum Reformer zurückgeführt wird.

100: Einzelzyklus-Energiesystem
110: Reformer
112: Brennstoff
114: Wasserstoff-angereicherter Strom
116: Verbrennungssystem
118: Stromnetz
120: Zusätzlicher Brennstoff
121: Kohlendioxid-reicher Strom
122: Oxidationsmittel
124: Rekuperator
126: Abgasstrom
128: Rückführungswärme
130: Dampf
132: Kompressor
134: Brenner
136: Gasturbine
138: Mischgasstrom
150: Kombiniertes Zyklussystem
152: Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator
154: Wasser
156: Dampf
158: Dampfturbine
160: Minderwertige Wärme
300: Reformersystem
310: Dampf-Vorreformer
312: Brennstoff
314: Wasserstoff-angereicherter Strom
328: Wärme
330: Dampf
332: Kühler
334: Wasserentfernungsstufe
400: Reformersystem
410: Katalytischer Partialoxidations-Reformer
412: Brennstoff
414: Wasserstoff-angereicherter Strom
422: Oxidationsmittel
432: Kühler
434: Wasserentfernungsstufe

Claims

System (100, 150) zum Verringern von NO_X-Emissionen, umfassend: einen Reformer (110, 300, 400), konfiguriert zur Aufnahme eines Brennstoffes (112, 312, 412) und zur Erzeugung eines Wasserstoff-angereicherten Stromes (114, 314, 414), wobei der Wasserstoff-angereicherte Strom weniger als oder gleich etwa 10 Volumenprozent Wasserstoff umfasst; ein Verbrennungssystem (116), konfiguriert, den Wasserstoff-angereicherten Strom zu verbrennen und Elektrizität und einen Abgasstrom (126) zu produzieren; einen Rekuperator (124, 152), konfiguriert, Wärme (128) von dem Abgasstrom zurückzugewinnen, wobei die rückgewonnene Wärme zum Reformer zurückgeführt wird.
System (100, 150) nach Anspruch 1, worin der Wasserstoff-angereicherte Strom etwa 1 Vol.-% bis etwa 3 Vol.-% Wasserstoff umfasst.
System (100, 150) nach Anspruch 1, worin der Wasserstoff-angereicherte Strom ein Betriebsfähigkeits-Fenster des Verbrennungssystems vergrößert.
System (100, 150) nach Anspruch 1, worin die rückgewonnene Wärme des Abgasstromes zum Erzeugen eines Dampfes benutzt wird.
System (100, 150) nach Anspruch 1, worin der Reformer ein Dampf-Vorreformer (310) oder ein katalytischer Partialoxidations-Reformer (410) ist.
System (100, 150) nach Anspruch 1, worin die NO_X-Emissionen von etwa 9 Teilen pro Million auf weniger als oder gleich etwa 3 Teile pro Million verringert sind.
System (100, 150) nach Anspruch 1, weiter umfassend einen zweiten Reformer, konfiguriert zur Aufnahme des Brennstoffes und zum Produzieren eines Kohlendioxid-reichen Stromes (121), wobei der Kohlendioxid-reiche Strom in dem Verbrennungssystem verbrannt wird.
Verfahren zum Verringern von NO_X-Emissionen, umfassend: Reformieren eines Brennstoffes (112) mit einem Reformer (110, 300, 400) zum Herstellen eines Wasserstoff-angereicherten Stromes (114, 314, 414), worin der Wasserstoff-angereicherte Strom Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, den Brennstoff und weniger als oder gleich etwa 10 Vol-% Wasserstoff umfasst; Abtrennen des Kohlendioxids aus dem Wasserstoff-angereicherten Strom mit einer Trenneinheit zur Herstellung eines Kohlendioxid-reichen Stromes (121); Verbrennen des Wasserstoff-angereicherten Stromes in einer ersten Stufe eines Brenners (134); Injizieren des Kohlendioxid-reichen Stromes in eine zweite Stufe des Brenners zur weiteren Verbrennung des Wasserstoffangereicherten Stromes, wobei das Verbrennen in der ersten Stufe und der zweiten Stufe Wärmeenergie und einen heißen komprimierten Mischgasstrom (138) erzeugt; Expandieren des heißen komprimierten Mischgasstromes zur Erzeugung von Elektrizität und einem Abgasstrom (126); Rückgewinnen der Wärmeenergie (128, 160) aus dem Brenner und Abgasstrom, und Rückführen der zurückgewonnenen Wärmeenergie zum Reformer.
Verfahren nach Anspruch 8, worin der Wasserstoffangereicherte Strom (114, 314, 414) etwa 1 Vol.-% bis etwa 3 Vol.-% Wasserstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, worin das Verringern der NO_X-Emissionen die NO_X-Emissionen von etwa 9 Teilen pro Million auf weniger als oder etwa 3 Teile pro Million verringert.