DE102007061568A1

DE102007061568A1 - Verfahren und System zum Einsetzen von Brenngas geringen Heizwertes in einer Gasturbine

Info

Publication number: DE102007061568A1
Application number: DE102007061568A
Authority: DE
Inventors: Hua Wang; Joseph Anthony Suriano; Sachin Nijhawan; Neil Edwin Minnetonka Moe
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: BHA Altair LLC
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2008-06-26
Also published as: JP2008157226A; JP5178173B2; GB0724108D0; CA2613768A1; GB2445078A; AU2007240194B2; KR101362603B1; KR20080057177A; AU2007240194A1; GB2445078B; US20090223229A1

Abstract

In einer Ausführungsform umfasst ein Verbrennungssystem: eine Brennstoff-Zufuhr mit einem Brennstoff mit einem Heizwert von weniger als oder gleich etwa 100 Btu/scf, eine Inertgas-Trenneinheit (74) in Strömungsmittel-Verbindung mit der Brennstoff-Zufuhr und ein Verbrennungssystem, das stromabwärts von und in Flüssigkeits-Verbindung mit der Inertgas-Trenneinheit (74) und mit einer Oxidationsmittel (78)-Zufuhr angeordnet ist. Die Inertgas-Trenneinheit (74) umfasst eine Membran, konfiguriert zum Abtrennen von N₂ von CO und zum Bilden eines Rückstandsstromes mit einem Heizwert von mehr als oder gleich etwa 110 Btu/scf. In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Betreiben einer Energieanlage (6): Hindurchleiten eines Brennstoffstromes (76) durch eine Inertgas-Trenneinheit (74) zum Entfernen von N₂ aus dem Brennstoffstrom (76) und zum Bilden eines Rückstandsstromes und Verbrennen des Rückstandsstromes und eines Oxidationsmittel (78)-Stromes zur Bildung eines Verbrennungsstromes.

Description

HINTERGRUND
Diese Erfindung richtet sich allgemein auf ein Verbrennungssystem und mehr im Besonderen auf ein Verbrennungssystem und -verfahren zum Einsetzen von Brennstoffen mit geringem Heizwert.
Moderne Hochleistungs-Energieerzeugungs-Anwendungen beruhen häufig auf der Gasturbinen-Technologie. Gasturbinen sind jedoch üblicherweise entworfen, um mit Erdgas als Brennstoff zu arbeiten. Weit verbreitete Gaspipeline-Verbindungen und flüssige Erdgas (LNG)-Importe führen zu variierender Gasqualität. Alternative Brennstoffnutzung (z. B. Biobrennstoff, Synthesegas, vergaster Industrieabfall (z. B. schwarze Lauge der Zellstoffindustrie, Restöl der Petroleumraffinerie-Industrie und Gas der Eisen- und Stahlindustrie (wie Hochofengas)) wird ein kommerzielle Notwendigkeit. Verbraucher fordern, dass die Gasturbinen-Ausrüstung in dieser neuen Umgebung mit minimalen Hardware- oder Kontroll-Änderungen arbeitet, um an den Bereich von Brennstoffen anzupassen. Eine wichtige übliche Charakteristik vieler solcher alternativer Brennstoffe ist ihr geringer Heizwert.
Luftverunreinigungs-Bedenken weltweit haben zu strikteren Emissionsstandards geführt. Diese Standards regeln die Emission von Oxiden des Stickstoffes (NO_x), nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂), die durch die Energieindustrie erzeugt werden. Insbesondere Kohlendioxid wurde als ein Treibhaus gas identifiziert, was zur Nutzung verschiedener Techniken führt, um die Konzentration des an die Atmosphäre abgegebenen Kohlendioxids zu verringern.
Die Anwendung der Synthesegas-Umwandlung und nachfolgenden Reinigung (z. B. nach Erzeugung aus Kohlevergasungs-Prozessen) kann für Energieanlagen mit kombiniertem integriertem Vergasungszyklus (IGCC) zur Elektrizitäts-Produktion aus Kohle und für Polyerzeugungs-Anlagen auf IGCC-Grundlage benutzt werden, die mehrere Produkte erzeugen, wie Wasserstoff und Elektrizität aus Kohle, und ist brauchbar für andere Anlagen, die Kohlendioxid-Abtrennung einschließen. Die Reinigung ist auch anwendbar auf anderes von Kohlenwasserstoff abgeleitetes Synthesegas, wie es für die Elektrizitäts-Erzeugung oder Polyerzeugung bzw. Polygeneration benutzt wird, einschließlich Synthesegas, das von Erdgas, Schweröl, Biomasse und anderen schwefelhaltigen schweren Kohlenstoff-Brennstoffen abgeleitet ist.
Verfahren und Systeme, die es gestatten, Gasturbinen in einer effizienten, sicheren und zuverlässigen Weise unter Einsatz eines weiten Bereiches von Brennstoffen zu betreiben, während verunreinigende Emissionen [z. B. Kohlendioxid (CO₂) und Stickoxide (NO_x)] minimiert werden, sind daher sehr wertvoll und es wird kontinuierlich nach ihnen gesucht.
KURZE BESCHREIBUNG
Offenbart hierin sind Ausführungsformen eines Energiesystems und eines Verfahrens und Systems zum Umwandeln eines Brennstoffes geringen Heizwertes in einen Brennstoff höheren Heizwertes und Verfahren zu deren Anwendung.
In einer Ausführungsform umfasst eine Energieanlage:
eine Brennstoffzufuhr mit einem Brennstoff eines Heizwertes von weniger als oder gleich etwa 100 Btu/scf, eine Inertgas-Trenneinheit in Strömungsmittelverbindung mit der Brennstoffzufuhr und eine Gasturbinentriebwerks-Baueinheit, die stromabwärts und in Strömungsmittelverbindung mit der Inertgas-Trenneinheit und mit einer Oxidationsmittelzufuhr angeordnet ist. Die Inertgas-Trenneinheit umfasst eine Membran, die zum Abtrennen von N₂ von CO und zum Bilden eines Rückstandsstromes mit einem Heizwert von mehr als oder gleich etwa 110 britischen Wärmeeinheiten pro Standard-Kubikfuß (Btu/scf) konfiguriert ist. Die Gasturbinentriebwerks-Baueinheit ist zum Erzeugen von Energie konfiguriert.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verbrennungssystem eine Brennstoffzufuhr mit einem Brennstoff eines Heizwertes von weniger als oder gleich etwa 100 Btu/scf, eine Inertgas-Trenneinheit in Strömungsmittelverbindung mit der Brennstoffzufuhr und ein Verbrennungssystem, das stromabwärts und in Strömungsmittelverbindung mit der Inertgas-Trenneinheit und mit einer Oxidationsmittelzufuhr angeordnet ist. Die Inertgas-Trenneinheit umfasst eine Membran, die zum Abtrennen an N₂ von CO und zum Bilden eines Rückstandsstromes konfiguriert ist, der einen Heizwert von mehr als oder gleich etwa 110 Btu/scf aufweist.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Betreiben einer Energieanlage: das Hindurchführen eines Brennstoffstromes durch eine Inertgas-Trenneinheit zum Entfernen von N₂ aus dem Brennstoffstrom und zum Bilden eines Rückstandsstromes und Verbrennen des Rückstandsstromes und eines Oxidationsmittelstromes zur Bildung eines Verbrennungsstromes. Der Brennstoffstrom hat einen Heizwert von weniger als oder gleich etwa 100 Btu/scf und der Rück standsstrom hat einen Heizwert von mehr als oder gleich etwa 110 Btu/scf.
Die oben beschriebenen und andere Merkmale werden beispielhaft durch die folgenden Figuren und die detaillierte Beschreibung wiedergegeben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Man nehme Bezug auf die Figuren, die beispielhaft, nicht einschränkend, sind und in denen gleiche Teile gleiche Bezugsziffern aufweisen.
1 ist eine schematische Darstellung einer beispiehaften Energieanlage mit einer Inertgas-Trenneinheit.
2 ist eine graphische Darstellung der Membran-Permeabilität, repräsentiert als hindurchgegangene Volumenprozent gegen Volumenprozent im Konzentrat (z. B. Strömungsmittel) für die Zeolith-Membran.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Offenbart sind Membran-Verfahren und Membranen, die kosteneffektiv Inertgase (hauptsächlich N₂ und gegebenenfalls CO₂) aus einem Prozess-Brennstoff, wie Hochofengas, entfernen können und einen verbesserten Brennstoff-Heizwert und die Beseitigung oder Verringerung der Beimengung von Koksofengas als Brenngas für eine Gasturbine gestatten. Die offenbartem Verfahren ge-statten es einer Gasturbinen-Ausrüstung, mit minimalen Turbinenhardware- und Kontroll-Änderungen zu arbeiten, die erforderlich sind, um an Brennstoffe geringen Heizwertes anzupassen. Spezifischer sind Membran-Verfahren und Membranen zur Entfernung von Stickstoff (N₂) und wahlweise anderer inerter Komponenten (z. B. CO₂) aus Prozess-Brenngas geringen Heizwertes (z. B. wenig Btu) (z. B. weniger als oder gleich etwa 90 Btu/scf), insbesondere einem Hochofengas ["BFG", einer Mischung von N₂, CO₂, Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂)], worin die Stickstoff-Konzentration größer als oder gleich 50 Volumenprozent (Vol.-%) ist. Das Verfahren schließt das Kontaktieren eines Brenngas-Zuführungsstromes geringen Heizwertes mit einer Membran mit genügend Strömung und Selektivität ein, um ihn in eine an Inertgas (z. B. N₂ und CO₂) angereicherte Durchgangsfraktion und eine an Inertgas arme Rückstandsfraktion unter Gasmembran-Trennbedingungen zu trennen. Die Rückstandsfraktion kann einen beträchtlich erhöhten Btu-Wert, z. B. mehr als oder gleich etwa 110 Btu/scf oder, mehr im Besonderen, mehr als oder gleich etwa 140 Btu/scf oder, noch spezifischer, mehr als oder gleich etwa 180 Btu/scf, aufweisen. Bei einem Btu/scf von mehr als oder gleich etwa 180 ist die Rückstandsfraktion für Gasturbinen-Energieerzeugunganwendungen geeignet. Bei den geringeren Werten kann die Rückstandsfraktion in Gasturbinentriebwerks-Anwendungen unter Einsatz eines geringeren Stromes an Mischgas eingesetzt werden. Es ist auch darauf hinzuweisen, dass diese Membran-Technologie zum Abtrennen von N₂/CO auch für andere Abtrennungen benutzt werden kann, wie die Entfernung von Verunreinigungen aus Koksofengas, das bei Jenbacher-Maschinen eingesetzt werden soll.
Eine Vielfalt von Prozess-Brennstoffen, z. B. Hochofengas von Stahl-Prozessen, Luft-Vergasung mit Kohlen geringer Qualität und Sauerstoff-Vergasung mit Raffinierung, haben einen Heizwert, der nur ein Bruchteil dessen von Erdgas ist. Hochofengas hat typischerweise einen geringen Heizwert von etwa 75 Btu/scf bis etwa 100 Btu/scf, wobei viele Gasturbinen-Einheiten einen Brennstoff mit einem Heizwert von etwa 180 bis etwa 200 Btu/scf benutzen. So hat, z. B., Hochofengas mit einer Zusammensetzung von 55 Volumenprozent (Vol.-%) N₂, 20 Vol.-% CO₂, 20 Vol.-% CO und 2 Vol.-% bis 3 Vol.-% H₂ (auf der Grundlage des Gesamtvolumens des Hochofengases) einen Heizwert von etwa 75 Btu/scf. Um dieses Hochofengas in einer Gasturbine einzusetzen, wird es mit entweder Koksofengas, Erdgas oder Ähnlichem (einem Mischgas) vermischt, um den Heizwert genügend auf oberhalb 180 Btu/scf zu erhöhen. Die Entfernung von Inertgasen aus Prozess-Brennstoffen würde jedoch einen verbesserten Heizwert und die Verringerung oder sogar Beseitigung von Mischgas gestatten.
Die Gasturbinen-Leistungsfähigkeit wird signifikant durch den Heizwert des Brennstoffes beeinflusst. Die Brennstoff-Strömung muss zunehmen, wenn der Heizwert abfällt, um die Wärme für den Prozess zu liefern, der Kompressor komprimiert jedoch die zusätzliche Massenströmung nicht. Es gibt verschiedene Seiteneffekte der erhöhten Massenströmung. 1) Die Zunahme der Massenströmung durch die Turbine erhöht die durch die Turbine entwickelte Leistung. Der Kompressor benutzt einen Teil der Energiezunahme, was zu einer Zunahme des Druckverhältnisses über den Kompressor führt und ihn dichter an eine Pumpgrenze treibt. 2) Die Zunahme der Turbinenleistung könnte auch verursachen, dass die Turbine und die gesamte Ausrüstung im Energiezug oberhalb ihrer 100%-igen Auslegung arbeitet. Somit kann Ausrüstung mit einer höheren Auslegungsgrenze (z. B. teurere Ausrüstung) in manchen Fällen erforderlich sein. 3) Die Größe und Kosten der Rohre nehmen mit erhöhter Brennstoff-Strömungsrate zu. 4) Gas mit geringerem Heizwert wird normalerweise vor der Lieferung an die Turbine mit Wasser gesättigt, was zu einer Zunahme des Wärmeübertragungs-Koeffizienten in den Verbrennungsprodukten und folglich zu einer Zunahme der Temperatur der Turbine führt. 5) Die zum Verbrennen des Brennstoffes erforderliche Luftmenge nimmt mit abnehmendem Heizwert zu. Folglich mag es sein, dass Gasturbinen mit hohen Brenntem peraturen nicht in der Lage sein mögen, mit Brennstoff geringen Heizwertes zu arbeiten.
Offenbart hierin sind Membran-Prozesse und Membranen für die Entfernung von N₂ und anderer inerter Komponenten (z. B. CO₂) aus einem Gasstrom (z. B. einem Prozess-Brenngas mit wenig Btu; einem Brenngas mit einem Heizwert von weniger als oder gleich 100 Btu/scf) und besonders einem Hochofengas. Die Prozesse schließen das Kontaktieren eines Brenngas-Zuführungsstromes mit einer Membran mit genügend Strömung und Selektivität zum Trennen des Brenngases in eine an Inertgas (z. B. N₂ und CO₂) angereicherte Durchgangsfraktion und in eine an Inertgas verarmte Rückstandsfraktion ein. Als ein Resultat der Trennung hat die Rückstandsfraktion einen beträchtlich erhöhten Heizwert und kann direkt (oder mit minimalem Mischgas) in einer Energieanlage eingesetzt werden, z. B. kann als ein Brennstoff für Gasturbinen-Energieerzeugungs-Anwendungen zu einer Turbine geschickt werden.
1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Energieanlage 6, die eine beispielhafte Gasturbinentriebwerks-Baueinheit 10 einschließt. Die Gasturbinentriebwerks-Baueinheit empfängt Oxidationsmittel (z. B. Luft) in einem Luftstrom 78, während Brennstoff durch eine Inertgas (N₂, CO₂)-Trenneinheit 74 vor dem Einführen in einen (nicht gezeigten) Mischer und den Brenner 16 strömt. Die Inertgas-Trenneinheit umfasst eine Inertgas-selektive Membran.
Obwohl eine Beschränkung durch Theorie nicht beabsichtigt ist, arbeitet der Transport von Gasen durch eine polymere Mem-bran nach einem Lösungs-Diffusions-Mechanismus. Es wird davon ausgegangen, dass der Lösungs-Diffusions-Mechanismus drei Stufen hat: das Festhalten (z. B. Absorption und/oder Adsorption) an der Grenze stromaufwärts, aktivierte Diffusion (Löslichkeit) durch die Membran und Freigabe (z. B. Desorption und/oder Verdampfung) an der stromabwärts gelegenen Seite. Dieser Gastransport wird durch einen Unterschied in den thermodynamischen Aktivitäten angetrieben, die an der stromaufwärts und der stromabwärts gelegenen Seite der Membran existieren, ebenso wie durch die Wechselwirkungskraft zwischen den Molekülen, die das Membranmaterial und die hindurchgehenden Moleküle bilden. Der Aktivitätsunterschied verursacht einen Konzentrationsunterschied, der zur Diffusion in der Richtung abnehmender Aktivität führt. Die eingesetzten besonderen Membranen beruhen auf einer Fähigkeit, das Hindurchgehen unterschiedlicher Materialien zu kontrollieren.
Obwohl wiederum keine Beschränkung durch Theorie beabsichtigt ist, können bei dem Transport von Gasen durch poröse anorganische Membran(en) mehrere Mechanismen beim Transport von Gasen über eine poröse Membran involviert sein: Knudsen-Diffusion, Oberflächen-Diffusion, Kapillarkondensation, Laminarfluss und/oder Molekularsieben. Die relativen Beiträge der verschiedenen Mechanismen hängen von den Eigenschaften der Membranen und der Gase ebenso wie von Betriebsbedingungen, wie Temperatur und Druck, ab. Molekularsieb-Membranen (wie Zeolithe und Kohlenstoff-Molekular siebe) sind porös und enthalten Poren molekularer Abmessungen (größer als 0,5 nm), die gemäß der Größe des Moleküls Selektivität zeigen können.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Hindurchgehen oder die Dicken-normalisierte Permeabilität die Gasströmungsrate durch die Membran, multipliziert mit der Dicke des Materials, dividiert durch die Fläche und durch den Druckunterschied über das Material ist. Um diese Quantität zu messen, ist der Barrer die Permeabilität, präsentiert durch eine Strömungsrate von 10^–10 Kubikzentimeter pro Sekunde (Volumen bei der Standardtemperatur und dem Standarddruck, 0°C und 1 Atmosphäre), mal 1 Zentimeter der Dicke, pro Quadratzentimeter der Fläche und Zentimeter des Quecksilber-Druckunterschieds. Der Begriff "Mem-bran-Selektivität" oder "Selektivität" ist das Verhältnis der Permeabilitäten von zwei Gasen und ist das Maß der Fähigkeit einer Membran, diese beiden Gase zu trennen. So ist, z. B., die Selektivität einer N₂-selektiven Membran das verhältnis der Permeabilität von N₂ durch die Membran gegenüber der von CO. Die Membranen haben erwünschtermaßen eine Selektivität von mehr als oder gleich etwa 4 oder, spezifischer, mehr als oder gleich etwa 8 oder, noch spezifischer, mehr als oder gleich etwa 12.
Mögliche Membranen schließen polymere Membranen (z. B. nicht-poröse polymere Membranen, wie Acrylatcopolymere, Maleinsäurecopolymere, Polyimid, Polysulfon usw.), anorganisches Molekularsieb (wie vorzugsweise orientierte MFI-Zeolithmembranen), nanoporöse Keramik-Membranen, organische/anorganische Hybrid-Membranen, wie gemischte Matrix-Membranen, erleichterte Membranen mit Übergangsmetallionen und Membranen, die immobilisierte und/oder oder vernetzte ionische Flüssigkeiten enthalten ebenso wie Kombinationen ein, die mindestens eine der Vorhergehenden umfassen. Die Membranen können in verschiedenen Formen benutzt werden, wie flacher Blattform, die in einer spiral-gewickelten Modul-Konfiguration verpackt sind, hohler Faserform, Rohrform usw.
In der Praxis umfasst die Membran häufig eine Trennschicht, die auf einer Trägerschicht angeordnet ist. Für asymmetrische anorganische Membranen kann der poröse Träger ein Material umfassen, das sich von der Trennschicht unterscheidet. Trägermaterialien für asymmetrische anorganische Membranen schließen poröses Aluminiumoxid, Titandioxid, Cordierit, Kohlenstoff, Siliciumdioxidglas (z. B. Vycor^®) und Metalle ebenso wie Kombinationen ein, die mindestens eines dieser Materialien umfassen. Poröse Metall-Trägerschichten schließen Eisenmaterialien, Nickelmaterialien und Kombinationen ein, die mindestens eines dieser Materialien umfassen, wie korrosionsbeständigen Stahl, Legierungen auf Eisenbasis und Legierungen auf Nickelbasis. Polymere Membranen können auf Polymeren oder anorganischen Trägern angeordnet sein. So ist, z. B., eine mögliche Membran eine B-Al-ZSM-5-Zeolithmembran, hergestellt aus B-haltigen porösen Glasscheiben in einem gemischten Dampf von Ethylendiamin, Tri-n-propylamin und H₂O. Obwohl eine Beschränkung durch Theorie nicht beabsichtigt ist, wird angenommen, dass die Kristalle mit den Orientierungen von {101}/{011}- und {002}-Ebenen, die parallel zu den Substrat-Oberflächen liegen, in den Membranen vorherrschen.
Gasturbinentriebwerks-Baueinheit 10 schließt ein Kern-Gasturbinentriebwerk 12 ein, das einen Hochdruckkompressor 14 (der, z. B., den Strom auf Drucke von mehr als oder gleich etwa 45 Bar komprimieren kann), einen Brenner 16 und eine Hochdruckturbine 18 einschließt. Die Gasturbinentriebwerks-Baueinheit 10 schließt auch einen Niederdruckkompressor 20 (der, z. B., bis zu etwa 5 Bar komprimieren kann) und eine Niederdruckturbine 22 ein. Hochdruckkompressor 14 und Hochdruckturbine 18 sind durch eine erste Welle 24 gekoppelt und Niederdruckkompressor 20 ist mit einer (nicht gezeigten) Zwischendruckturbine durch eine zweite Welle 26 verbunden. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Niederdruckturbine 22 durch die Welle 30 mit einer Last, wie einem Generator 28, verbunden. In der beispielhaften Ausführungsform ist das Kern-Gasturbinentriebwerk 12 ein LMS 100, erhältlich von General Electric Aircraft Engines, Cincinnati, Ohio.
Die Gasturbinentriebwerks-Baueinheit 10 kann einen Zwischenkühler 40 [IC (opt.)] einschließen, um das Verringern der Temperatur der komprimierten Luftströmung zu erleichtern, die in den Hochdruckkompressor 14 eintritt. Mehr im Besonderen kann sich der Zwischenkühler 40 in Strömungsmittelverbindung zwischen dem Niederdruckkompressor 20 und dem Hochdruckkompressor 14 derart befinden, dass der aus dem Niederdruckkompressor 20 abgegebenen Luftstrom gekühlt wird, bevor er dem Hochdruckkompressor 14 zugeführt wird.
Die Energieanlage 6 schließt auch einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG) 50 ein, der zur Aufnahme des relativ heißen Abgasstromes, der aus der Gasturbinentriebwerks-Baueinheit 10 abgegeben wird, und zur Übertragung dieser Wärmeenergie an ein Arbeits-Strömungsmittel konfiguriert ist, das durch den HRSG 50 strömt, um Dampf zu erzeugen, der, in der beispielhaften Ausführungsform, zum Antreiben einer Dampfturbine 52 benutzt werden kann. Ein Ablauf 54 kann stromabwärts vom HRSG 50 angeordnet sein, um das Kondensat aus dem Abgasstrom, der aus dem HRSG 50 abgegeben wird, im Wesentlichen zu entfernen. Ein (nicht gezeigter) Entfeuchter kann auch stromabwärts des HRSG 50 und stromaufwärts des Ablaufes 54 benutzt werden, um die Wasserentfernung aus dem Abgasstrom zu erleichtern. Der Entfeuchter kann ein Trockenmittel-Lufttrockensystem umfassen.
Der (die) Zwischenkühler (40 usw.) können einzeln ein Wasser-zu-Luft-Wärmeaustauscher, ein Luft-zu-Luft-Wärmeaustauscher oder Ähnliches sein. Der Wasser-zu-Luft-Wärmeaustauscher kann ein (nicht gezeigtes) Arbeits-Strömungsmittel aufweisen, das durch ihn hindurchströmt. Zum Beispiel kann das Arbeits-Strömungsmittel Rohwasser sein, das von einer Wasseransammlung, die nahe der Energieanlage 6 angeordnet ist (z. B. einem See) herangeführt wird. Der Luft-zu-Luft-Wärmeaustauscher kann eine (nicht gezeigte) Kühlluftströmung aufweisen, die durch ihn hindurchströmt.
Während des Betriebes passiert der Brennstoff die Inertgas-Trenneinheit 74, wo N₂ und wahlweise andere inerte (z. B. nicht brennbare) Gase (wie CO₂) aus dem Brennstoffstrom entfernt werden. Der Brennstoffstrom 76 tritt dann in den Brenner 16 ein, wo er mit der Luft, z. B. vom Kompressor 14, verbrannt wird.
Die Gasturbinentriebwerks-Baueinheit 10 erzeugt einen Abgasstrom mit einer Temperatur von etwa 316°C (etwa 600°F) bis etwa 704°C (etwa 1300°F). Der aus der Gasturbinentriebwerks-Baueinheit 10 austretende Abgasstrom wird durch den HRSG 50 geführt, wo ein beträchtlicher Teil der Wärmeenergie des Abgasstromes auf das hindurchgeleitete Arbeits-Strömungsmittel übertragen wird, um Dampf zu erzeugen, der, wie oben erläutert, zum Antreiben der Dampfturbine 52 benutzt werden kann. HRSG 50 erleichtert das Verringern der Betriebstemperatur des Abgasstromes zu einer Temperatur, die etwa 24°C (etwa 75°F) bis etwa 52°C (etwa 125°F) beträgt. In der beispielhaften Ausführungsform erleichtert der HRSG 50 das Verringern der Betriebstemperatur des Abgasstromes auf eine Temperatur, die etwa 38°C (100°F) beträgt. In einer Ausführungsform wird der Abgasstrom auch durch (nicht gezeigte) zusätzliche Wärmeaustauscher geleitet, um weiter Wasser aus dem Abgasstrom zu kondensieren, das dann, z. B., durch den Ablass 54 abgelassen wird.
Es ist zu bemerken, dass, obwohl die Membran-Prozesse und Membranen zum Entfernen inerter Komponenten mit Bezug auf die in 1 gezeigte Energieanlage beschrieben wurden, diese Membranen und Prozesse mit irgendeiner Variation einer Energieanlage oder einem anderen System benutzt werden können, wo N₂-Entfernung von einem Gasstrom erwünscht ist. Apparaturen, die die vorliegenden Membranen umfassen, sind besonders brauchbar, wo der Heizwert des Rückstandsstromes etwa 180 bis etwa 200 Btu/scf nach der Entfernung des Inertgases (z. B. N₂) beträgt.
Die folgenden Beispiele werden gegeben, um die Membranen und deren Verwendung weiter zu veranschaulichen und sie sollen den breiten Umfang dieser Anmeldung nicht beschränken.
BEISPIELE
BEISPIEL 1:
Eine Computer-Berechnung wurde ausgeführt, um den Prozess der Abtrennung von N₂ von CO in einem Brennstoffstrom und gemäß der Ausführungsform von 2 zu demonstrieren. Ein Hochofen-Rohgas hat angenommenermaßen die Vol.-%-Zusammensetzung und den Heizwert der Tabelle 1. Die relative Permeabilität der Zeolithmembran für Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff ist 7,7; 41; 1 bzw. 130.

Tabelle: Hochofen-Rohgas

Komponente Zusammensetzung (Vol.-%)

Stickstoff 58,0

Kohlendioxid 18,5

Kohlenmonoxid 21,5

Wasserstoff 2,0

Heizwert (Btu/scf) 75

Tabelle 2 zeigt die errechnete Rückstands-Zusammensetzung und deren Heizwert, wenn dieses Hochofen-Rohgas durch die beschriebenen Zeolithmembranen bei verschiedenen Rückgewinnungsprozent getrennt wird (Verhältnis der Durchgangs-Strömungsrate gegenüber der Zuführungs-Strömungsrate oder Volumenprozent der Zuführung, die durch die Membran hindurchgeht).

Tabelle 2: Rückstands-Zusammensetzung und Heizwert
Zusammensetzung (Vol.-%)	Zusammensetzung (Vol.-%)
Zusammensetzung (Vol.-%)	30% Rückgewinnung	50% Rückgewinnung	70% Rückgewinnung
Stickstoff	63,9	59,7	41,2
Kohlendioxid	6,4	0,7	0
Kohlenmonoxid	29,7	39,4	58
Wasserstoff	0	0	0
Heizwert (Btu/scf)	96	127	189

Tabelle 2 zeigt, dass der Heizwert des Rückstandes mit der Zunahme der Kohlenmonoxid-Konzentration im Rückstand als ein Resultat des Hindurchgehens des inerten Stickstoffes und Kohlendioxids durch die Membran zunimmt. Der Heizwert des Rückstandes beträgt 96, 127 bzw. 189 für eine Rückgewinnung von 30%, 50% bzw. 70%. In anderen Worten, mit der vorliegenden Inertgas-Trenneinheit kann ein Rückstandsstrom gebildet werden, der einen Heizwert von mehr als oder gleich etwa 115 Btu/scf oder, spezifischer, mehr als oder gleich etwa 130 Btu/scf oder, noch spezifischer, mehr als oder gleich etwa 160 Btu/scf oder, noch spezifischer, mehr als oder gleich etwa 175 Btu/scf und, noch spezifischer, mehr als oder gleich etwa 185 Btu/scf aufweist.
VERGLEICHSBEISPIEL 1:
Eine Computer-Berechnung wurde für eine Polydimethylsil-oxan (PDMS)-Membran ausgeführt. Von einem Hochofen-Rohgas wurde angenommen, dass es die Volumenprozent-Zusammensetzung in Tabelle 1 aufweist. Der Heizwert dieses Hochofen-Rohgases beträgt 75 Btu/scf. Die relative Permeabilität der PDMS-Membran für Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff beträgt 0,76; 6,4; 1 bzw. 1,9.

Tabelle 3 zeigt die errechnete Rückstands-Zusammensetzung und den Heizwert, wenn dieses Hochofen-Rohgas durch die beschriebenen PDMS-Membranen bei verschiedenen Prozent Rückgewinnung (Verhältnis der Durchgangs-Strömungsrate gegenüber der Zuführungs-Strömungsrate oder Volumenprozent der Zuführung, die durch die Membran hindurchging) getrennt wurde.

Tabelle 3: Rückstands-Zusammensetzung und Heizwert
Komponente	Zusammensetzung (Vol.-%)
Komponente	10% Rückgewinnung	30% Rückgewinnung	50% Rückgewinnung
N₂	61,6	68,8	74,2
CO₂	14	5,3	0,7
CO	22,5	24,1	23,9
H₂	2	1,8	1,3
Heizwert (Btu/scf)	78	82	80

Tabelle 3 zeigt, dass der Heizwert des Rückstandsstromes minimal zunimmt. Die PDMS-Membran lässt Kohlendioxid hindurch und weist Stickstoff zurück. Als ein Resultat ändert sich der Volumenanteil von einen hohen Heizwert aufweisendem Kohlenmonoxid in dem Rückstandsstrom mit 10%- iger, 30%-iger, und 50%-iger Rückgewinnung nicht signifikant. Diese PDMS-Membranen sind daher nicht brauchbar, um den Heizwert von Hochofengas signifikant zu erhöhen.
VERGLEICHSBEISPIEL 2:
Eine Computer-Berechnung wurde für eine Zelluloseacetat (CA)-Membran ausgeführt. Es wird angenommen, dass ein Hochofen-Rohgas die Volumenprozent-Zusammensetzung in Tabelle 1 aufweist. Der Heizwert dieses Hochofen-Rohgases beträgt 75 Btu/scf. Die relative Permeabilität der CA-Membran für Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff beträgt 0,62; 23; 1 bzw. 50.

Tabelle 4 zeigt die errechnete Rückstands-Zusammensetzung und deren Heizwert, wenn dieses Hochofen-Rohgas durch die beschriebenen CA-Membranen bei verschiedenen prozentualen Rückgewinnungen (Verhältnis der Durchgangs-Strömungsrate gegenüber der Zuführungs-Strömungsrate oder Volumenprozent der Zuführung, die durch die Membran hindurchging) getrennt wurde.

Tabelle 4: Rückstands-Zusammensetzung und Heizwert
Komponente	Zusammensetzung (Vol.-%)
Komponente	10% Rückgewinnung	30% Rückgewinnung	50% Rückgewinnung
N₂	63,6	74,1	77,6
CO₂	12,3	0,3	0
CO	23,4	25,6	22,4
H₂	0,7	0	0
Heizwert (Btu/scf)	77	82	72

Der Heizwert des Rückstandsstromes zeigt eine minimale Zunahme oder geringfügige Abnahme im Heizwert bei den Rückgewinnungsraten von 10%, 30% und 50%. Die CA-Membran lässt Kohlendioxid hindurchgehen und weist Stickstoff zurück. Als ein Resultat änderte sich der Volumenanteil des einem hohen Heizwert aufweisenden Kohlenmonoxids im Rückstandsstrom mit 10%-iger, 30%-iger und 50%-iger Rückgewinnung nicht signifikant. Diese CA-Membranen sind somit nicht brauchbar zum signifikanten Verbessern des Heizwertes von Hochofengas. Die vorliegenden Membranen und Prozesse ermöglichen die Trennung von N₂ von CO in einem gasförmigen Brennstoff und ermöglichen somit die Verbesserung des Heizwertes des Brennstoffes. Wird nur CO₂ aus einem Brennstoff (z. B. Hochofengas) entfernt, dann nimmt der Heizwert um weniger als 10 Btu/scf zu. Die Entfernung von N₂ aus dem Hochofengas erhöht den Heizwert um mehr als oder gleich etwa 40 Btu/scf oder, spezifischer, um mehr als oder gleich etwa 60 Btu/csf oder, noch spezifischer, um mehr als oder gleich etwa 80 Btu/scf und, noch spezifischer, um mehr als oder gleich etwa 100 Btu/csf. Die Membranen gestatten die Trennung von N₂ von CO, sodass die CO-Konzentration im Rückstandsstrom größer als oder gleich etwa 35 Vol.-% oder, spezifischer, größer als oder gleich etwa 45 Vol.-%, noch spezifischer größer als oder gleich etwa 55 Vol.-%, bezogen auf ein Gesamtvolumen des Rückstandsstromes, ist.
Hierin offenbarte Bereiche sind inklusiv und kombinierbar (z. B. Bereiche von "bis zu etwa 25 Vol.-% oder, spezifischer etwa 5 Vol.-% bis etwa 20 Vol.-%" schließen die Endpunkte und alle Zwischenwerte der Bereiche von "etwa 5 Vol.-% bis etwa 25 Vol.-% ein, usw.). "Kombination" schließt Gemenge, Mischungen, Legierungen, Reaktionsprodukte und Ähnliche ein. Weiter bezeichnen die Begriffe "erste", "zweite" und Ähnliche keine Reihenfolge, Quantität oder Bedeutung, sondern sie werden vielmehr benutzt, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden und die Begriffe "ein" und "eine", bezeichnen keine Beschränkung der Menge, sondern die Anwesenheit mindestens eines der in Bezug genommenen Dinge. Der Modifizierer "etwa", der in Verbindung mit einer Menge benutzt wird, schließt den genannten Wert ein und hat die durch den Kontext diktierte Bedeutung (z. B. schließt den Fehlergrad ein, der mit der Messung der entsprechenden Menge verbunden ist). Die Endung "(e/en)", wie sie hierin benutzt wird, soll sowohl die Einzahl als auch die Mehrzahl des Begriffes einschließen, den sie modifiziert, sodass ein oder mehrere dieses Begriffes eingeschlossen sind (z. B. schließt das/die Färbemittel ein oder mehrere Färbemittel ein). Die Bezugnahme in der Beschreibung auf "eine Ausführungsform", "eine andere Ausführungsform" usw. bedeutet, dass ein spezielles Element (z. B. Merkmal, Struktur und/oder Charakteristik) die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, in mindestens eine beschriebene Ausführungsform eingeschlossen ist und in anderen Ausführungsformen vorhanden sein kann, es aber nicht braucht. Zusätzlich sollte klar sein, dass die beschriebenen Elemente in irgendeiner geeigneten Weise in den verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden können.
Alle genannten PSn, Patentanmeldungen und anderen Druckschriften werden in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier aufgenommen. Steht jedoch ein Begriff in der vorliegenden Anmeldung im Gegensatz zu oder Konflikt mit einem Begriff in einer aufgenommenen Druckschrift, dann hat der Begriff aus der vorliegenden Anmeldung Vorrang gegenüber dem in Konflikt stehenden Begriff aus der aufgenommenen Druckschrift.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, sollte dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente an Stelle von Elementen eingesetzt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne deren wesentlichen Umfang zu verlassen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt ist, die als die beste Art der Ausführung dieser Erfindung offenbart ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen einschließt, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verbrennungssystem: eine Brennstoff-Zufuhr mit einem Brennstoff mit einem Heizwert von weniger als oder gleich etwa 100 Btu/scf, eine Inertgas-Trenneinheit 74 in Strömungsmittel-Verbindung mit der Brennstoff-Zufuhr und ein Verbrennungssystem, das stromabwärts von und in Flüssigkeits-Verbindung mit der Inertgas-Trenneinheit 74 und mit einer Oxidationsmittel 78-Zufuhr angeordnet ist. Die Inertgas-Trenneinheit 74 umfasst eine Membran, konfiguriert zum Abtrennen von N₂ von CO und zum Bilden eines Rückstandsstromes mit einem Heizwert von mehr als oder gleich etwa 110 Btu/scf. In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Betreiben einer Energieanlage 6: Hindurchleiten eines Brennstoffstromes 76 durch eine Inertgas-Trenneinheit 74 zum Entfernen von N₂ aus dem Brennstoffstrom 76 und zum Bilden eines Rückstandsstromes und Verbrennen des Rückstandsstromes und eines Oxidationsmittel 78-Stromes zur Bildung eines Verbrennungsstromes.

Claims

Energieanlage (6), umfassend: eine Brennstoffzufuhr mit einem Brennstoff mit einem Heizwert von weniger als oder gleich etwa 100 Btu/scf; eine Inertgas-Trenneinheit (74) in Strömungsmittel-Verbindung mit der Brennstoffzufuhr, wobei die Inertgas-Trenneinheit (74) eine Membran umfasst, konfiguriert, um N₂ von CO abzutrennen und einen Rückstandsstrom mit einem Heizwert von mehr als oder gleich etwa 110 Btu/scf zu bilden; eine Gasturbinentriebwerks-Baueinheit (10) stromabwärts von und in Strömungsmittel-Verbindung mit der Inertgas-Trenneinheit (74) und mit einer Oxidationsmittel (78)-Zufuhr, wobei die Gasturbinentriebwerks-Baueinheit (10) zum Erzeugen von Energie konfiguriert ist.
Energieanlage (6) nach Anspruch 1, worin die Gasturbinentriebwerks-Baueinheit (10) weiter umfasst: einen Kompressor stromabwärts von und in Strömungsmittel-Verbindung mit der Oxidationsmittel (78)-Zufuhr; einen Brenner stromabwärts von und in Strömungsmittel-Verbindung mit dem Kompressor und mit der Inertgas-Trenneinheit (74) und eine Turbine stromabwärts von und in Strömungsmittel-Verbindung mit dem Brenner.
Energieanlage (6) nach irgendeinem der Ansprüche 1–2, worin die Membran ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer polymeren Membran, einem anorganischen Molekularsieb, einer nano-porösen Keramikmembran, einer organischen/anorganischen Hybrid-Membran, einer erleichterten Membran, umfassend ein Übergangsmetallion, einer Membran, umfassend immobilisierte und/oder vernetzte ionische Flüssigkeit, und Kombinationen, umfassend mindestens eine der Vorgenannten.
Energieanlage (6) nach Anspruch 3, worin das anorganische Molekularsieb eine MFI-Zeolith-Membran umfasst.
Energieanlage (6) nach irgendeinem der Ansprüche 1–4, worin die Membran konfiguriert ist, einem Rückstandstrom mit einem Heizwert von mehr als oder gleich etwa 140 Btu/scf zu bilden.
Energieanlage (6) nach irgendeinem der Ansprüche 1–5, worin die Membran eine N₂/CO-Selektivität von mehr als oder gleich etwa 4 hat.
Verfahren zum Betreiben einer Energieanlage (6), umfassend: Hindurchleiten eines Brennstoffstromes (76) durch eine Inertgas-Trenneinheit (74), um N₂ aus dem Brennstoffstrom (76) zu entfernen und einen Rückstandsstrom zu bilden, wobei der Brennstoffstrom (76) einen Heizwert von weniger als oder gleich etwa 100 Btu/scf aufweist und der Rückstandsstrom einen Heizwert von mehr als oder gleich etwa 110 Btu/scf aufweist, und Verbrennen des Rückstandsstromes und eines Oxidationsmittel(78)-Stromes zu einem Verbrennungsstrom.
Verfahren nach Anspruch 7, weiter umfassend: Komprimieren des Oxidationsmittel(78)-Stromes vor dem verbrennen und Hindurchführen des Verbrennungsstromes durch eine Turbine.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 7–8, wobei der Rückstands-Heizwert größer als oder gleich etwa 140 Btu/scf ist.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 7–9, weiter umfassend, vor dem Verbrennen, Kombinieren des Rückstandsstromes mit einem Abzapfstrom zur Erhöhung des Rückstands-Heizwertes auf mehr als oder gleich etwa 180 Btu/scf.