DE102008002870A1

DE102008002870A1 - Systeme und Verfahren zur Energieerzeugung mit Abgasrückführung

Info

Publication number: DE102008002870A1
Application number: DE102008002870A
Authority: DE
Inventors: Andrei Tristan Evulet; Michael Bowman; Ahmed Mostafa Elkady
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2028-05-29
Also published as: CH704349B1; US20080309087A1; CN101324203A; JP5314938B2; JP2008309153A; US8850789B2; DE102008002870B4; CN101324203B

Abstract

Ein Energieerzeugungssystem (10) schließt ein Gasturbinensystem (15) ein. Das Turbinensystem (15) schließt eine Brennkammer (20), die dazu eingerichtet ist, einen Brennstoffstrom (13) zu verbrennen, einen Verdichter (16), der dazu eingerichtet ist, einen Zuführungs-Oxidationsmittelstrom (14) aufzunehmen und ein komprimiertes Oxidationsmittel (18) der Brennkammer (20) zuzuführen, und einen Expander (24) ein, der zur Aufnahme eines Abgases (22) von der Brennkammer (20) und zum Erzeugen eines Kohlendioxid umfassenden Abgases (30) und von elektrischer Energie eingerichtet ist. Das System (10) schließt weiter ein nachrüstbares Abgas-Rückführungssystem (54) ein, das eine Trenneinrichtung (32), dazu eingerichtet zum Aufspalten des Abgases (30) in einen ersten abgespalteten Strom (34) und einen zweiten abgespalteten Strom (36), einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (38), der zur Aufnahme des ersten abgespalteten Stromes (34) und zum Erzeugen eines gekühlten ersten abgespalteten Stromes (40) eingerichtet ist, und ein Reinigungssystem (50) ein, das zur Aufnahme des ersten gekühlten abgespalteten Stromes (40) und des zweiten abgespalteten Stromes (36) und zum Erzeugen eines Rückführungsstromes (52) eingerichtet ist, wobei der Rückführungsstrom (52) mit dem frischen Oxidationsmittel (12) vermischt ist, um den Zuführungs-Oxidationsmittelstrom (14) zu erzeugen.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Energieerzeugung und die wirksame Rückgewinnung von Kohlendioxid. Spezieller bezieht sich die Erfindung auf die Vereinigung von Gasturbinen-Abgasrückleitung und verringerter NO_x-Emission.
Energieerzeugungssysteme, die kohlenstoffhaltige Brennstoffe (d. h. fossile Brennstoffe) verbrennen, erzeugen Kohlendioxid (CO₂) als ein Nebenprodukt, weil bei der Verbrennung Kohlenstoff in CO₂ umgewandelt wird. Typischerweise wird Luft als ein Oxidationsmittel für die Brennstoff-Verbrennung eingesetzt und dabei NO_x gebildet. Die Entfernung oder Rückgewinnung des Kohlendioxids (CO₂) aus Energieerzeugungssystemen, wie aus dem Abgas einer Gasturbine, ist wegen geringen CO₂ Gehaltes und geringen (Umgebungs)druckes des Abgases allgemein nicht wirtschaftlich. Daher wird das CO₂ enthaltende Abgas typischerweise an die Atmosphäre abgegeben und nicht in Ozeanen, Bergwerken, Ölbohrungen, geologischen Salzreservoiren usw. abgesondert. Es gibt einen Bedarf an einer Technik, die die wirtschaftliche Rückgewinnung von CO₂ bewirkt, das von Energieerzeugungssystemen (z. B. Gasturbinen) abgegeben wird, die kohlenstoffhaltige Brennstoffe benutzen, und auch die NO_x-Bildung verringert.
KURZE BESCHREIBUNG
In einem Aspekt schließt ein Energieerzeugungssystem ein Gasturbinensystem ein. Das Turbinensystem schließt eine Brennkammer, die zur Verbrennung eines Brennstoffstromes eingerichtet ist, einen Verdichter, der zur Aufnahme eines Zuführungs-Oxidationsmittelstromes und zum Liefern eins verdichteten Oxidationsmittels an die Brennkammer eingerichtet ist, und einen Expander ein, der dazu eingerichtet ist, ein Abgas von der Brennkammer zu empfangen und ein Kohlendioxid umfassendes Abgas und elektrische Energie zu erzeugen. Das System schließt weiter ein nachrüstbares Abgas-Rückführungssystem, das eine Aufspaltvorrichtung einschließt, die dazu eingerichtet ist, das Abgas in einen ersten abgespaltenen Strom und einen zweiten abgespaltenen Strom aufzuspalten, einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator, der dazu eingerichtet ist, den ersten abgespaltenen Strom aufzunehmen und einen gekühlten ersten abgespaltenen Strom zu erzeugen, und ein Reinigungssystem ein, das dazu eingerichtet ist, den ersten gekühlten abgespaltenen Strom und den zweiten abgespaltenen Strom aufzunehmen und einen Rückführungsstrom zu erzeugen, wobei der Rückführungsstrom mit dem frischen Oxidationsmittel gemischt wird, um den Zuführungs-Oxidationsmittelstrom zu erzeugen.
In einem anderen Aspekt schließt ein Energieerzeugungssystem ein Gasturbinensystem ein, das eine Brennkammer zur Verbrennung eines Brennstoffstromes, einen Verdichter zum Empfangen eines Zuführungs-Oxidationsmittelstromes und zum Liefern eines komprimierten Oxidationsmittels an die Brennkammer und einen Expander aufweist, der zur Aufnahme eines Abgases von der Brennkammer und zum Erzeugen eines Kohlendioxid umfassenden Abgases und elektrischer Energie dient. Das System schließt weiter eine Abgas-Rückführungseinheit, die eine Aufspaltvorrichtung einschließt, die dazu eingerichtet ist, das Abgas in einen ersten abgespaltenen Strom und einen zweiten abgespaltenen Strom aufzuspalten, einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator, der zur Aufnahme des ersten abgespaltenen Stromes und zum Erzeugen eines gekühlten ersten abgespaltenen Stromes eingerichtet ist, ein Gebläse, um Druck in den gekühl ten ersten abgespaltenen Strom einzuführen, und ein Reinigungssystem ein, das zur Aufnahme des ersten gekühlten abgespaltenen Stromes und des zweiten abgespaltenen Stromes und zur Erzeugung eines Rückführungsstromes eingerichtet ist, wobei der Rückführungsstrom mit dem frischen Oxidationsmittel vermischt wird, um den Zuführungs-Oxidationsmittelstrom zu erzeugen. Die Abgas-Rückführungseinheit schließt weiter ein erstes Regelventil und ein zweites Regelventil ein, wobei das erste Regelventil dazu eingerichtet ist, einen Teil des gekühlten ersten Abgases abzulassen, und wobei das zweite Regelventil dazu eingerichtet ist, einen Teil des Rückführungsstromes abzulassen.
Ein Verfahren zum Erzeugen von Energie mit verringerter NO_x-Emission schließt das Komprimieren eines zugeführten Oxidationsmittels und das Erzeugen eines komprimierten Oxidationsmittels in einem Verdichter, das Verbrennen eines Brennstoffstromes und des komprimierten Oxidationsmittels in einer Brennkammer und das Erzeugen eines Abgases und das Expandieren des Abgases von der Brennkammer, und das Erzeugen eines Kohlendioxid umfassenden Abgases und von elektrischer Energie ein. Das Verfahren schließt weiter das Aufspalten des Abgases in einen ersten abgespaltenen Strom und einen zweiten abgespaltenen Strom, das Rückgewinnen von Wärme aus dem ersten abgespaltenen Strom und das Erzeugen eines gekühlten ersten abgespaltenen Stromes und das Erhöhen des Druckes des gekühlten ersten abgespaltenen Stromes ein. Das Verfahren schließt auch das Wiedervermischen des gekühlten ersten abgespaltenen Stromes und des zweiten abgespaltenen Stromes und das Erzeugen eines gemischten Abgases, das Reinigen des gemischten Abgases und das Erzeugen eines Rückführungsstromes und das Vermischen des Rückführungsstromes mit frischem Oxidationsmittel und Erzeugen des Zuführungs-Oxidationsmittels ein.
In noch einem anderen Aspekt schließt ein Verfahren zum Erzeugen von Energie das Komprimieren eines zugeführten Oxidationsmittels und das Erzeugen eines komprimierten Oxidationsmittels in einem Verdichter, das Verbrennen eines Brennstoffstromes und des komprimierten Oxidationsmittels in einer Brennkammer und das Erzeugen eines Abgases und das Expandieren des Abgases aus der Brennkammer, und das Erzeugen eines Kohlendioxid umfassenden Abgases und elektrischer Energie ein. Das Verfahren schließt weiter das Aufspalten des Abgases in einen ersten abgespaltenen Strom und einen zweiten abgespaltenen Strom, unter Benutzung eines Coanda-Injektors, das Wiedergewinnen von Wärme aus dem ersten abgespaltenen Strom und das Erzeugen eines gekühlten ersten abgespaltenen Stromes, das Erhöhen des Druckes des gekühlten ersten abgespaltenen Stromes ein und das Wiedervermischen des gekühlten ersten abgespaltenen Stromes und des zweiten abgespaltenen Stromes und das Erzeugen eines gemischten Abgases ein. Das Verfahren schließt auch das Reinigen des gemischten Abgases und das Erzeugen eines Rückführungsstromes, das Mischen des Rückführungsstromes mit frischem Oxidationsmittel und das Erzeugen des Zuführungs-Oxidationsmittels und das Abgeben eines Teiles des gekühlten ersten Abgases durch ein erstes Regelventil und das Abgeben eines Teiles des Rückführungsstromes durch ein zweites Regelventil ein.
ZEICHNUNG
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der gleiche Bezugsziffern gleiche Teile in der Zeichnung repräsentieren, wobei:
1 ein Fließdiagramm eines beispielhaften integrierten Energieerzeugungssystems mit Abgas-Rückführungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Technik ist;
2 ein Fließdiagramm eines anderen beispielhaften Energieerzeugungssystems mit Abgas-Rückführungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Technik ist;
3 ein Fließdiagramm noch eines anderen beispielhaften Energieerzeugungssystems mit Abgas-Rückführungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Technik ist;
4 ein Fließdiagramm noch eines anderen beispielhaften Energieerzeugungssystems mit Abgas-Rückführungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Technik ist;
5 ein Fließdiagramm eines anderen beispielhaften Energieerzeugungssystems mit Abgas-Rückführungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Technik ist;
6 einen NO_x-Bildungstrend bei verschiedenen Sauerstoffniveaus in dem Turbinen-Arbeitsströmungsmittel veranschaulicht;
7 einen NO_x-Bildungstrend bei verschiedenen Niveaus der Abgas-Rückleitung (EGR) veranschaulicht; und
8 CO₂-Konzentrationstrend bei verschiedenen Niveaus von EGR veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Technik liefert eines oder mehrere beispielhafte Gasturbinen-Systeme, die in einem Energieerzeu gungssystem zur Erzeugung von Energie mit geringen NO_x- und CO₂-Emissionen arbeiten. Ein Teil des Abgases von der Gasturbine wird in den Einlass der Turbine zurückgeleitet, wobei dieser Teil des Abgases mit frischem Oxidationsmittel, wie Luft, vermischt wird, bevor er in die Brennkammer des Turbinensystems eingeführt wird. Als ein Resultat hat das zur Verbrennung benutzte zugemischte Oxidationsmittel einen geringeren Sauerstoffgehalt, verglichen mit einem konventionellen Oxidationsmittel, und führt zu einer geringen NO_x-Emission im Abgas aus der Brennkammer. Zusätzlich wird das im Verbrennungsprozess erzeugte Kohlendioxid konzentriert, da ein Teil des Abgases zurück in das Turbinensystem geleitet wird, welche Rückführung die CO₂-Trennprozesse stromabwärts fördert. Die vorliegende Technik schafft auch ein Reinigungsverfahren zum Reinigen des Abgases, bevor es in das Turbinensystem zurückgeleitet wird. Dieses Reinigungsverfahren liefert in das Turbinensystem zurückzuführendes sauberes Gas, wodurch irgendeine Beschädigung der internen Komponenten des Turbinensystems verhindert wird.
1 veranschaulicht ein beispielhaftes Energieerzeugungssystem 10 mit einem Gasturbinensystem 15. Das Gasturbinensystem 15 schließt eine Brennkammer 20, die zum Verbrennen eines Brennstoffstromes 13 eingerichtet ist, und einen Verdichter 16 ein, der zur Aufnahme eines Zuführungs-Oxidationsmittelstromes 14 und zum Zuführen komprimierten Oxidationsmittels 18 zur Brennkammer eingerichtet ist. Das Turbinensystem 15 schließt weiter einen Expander 24 ein, der zur Aufnahme eines Abgases 22 von der Brennkammer 20 und zum Erzeugen eines Kohlendioxid umfassenden Abgases 30 und von elektrischer Energie durch einen Generator 28 eingerichtet ist. Der Verdichter 16 und der Expander 24 sind typischerweise durch eine gemeinsame Welle 26 gekoppelt. Das Energieerzeugungssystem 10 schließt weiter ein nachrüstbares Abgas-Rückführungssystem 54 ein, das eine Aufspaltvorrichtung 32 um fasst, die zum Aufspalten des Abgases 30 in einen ersten abgespaltenen Strom 34 und einen zweiten abgespaltenen Strom 36 eingerichtet ist. Das Abgas-Rückführungssystem 54 schließt auch einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG) 38 ein (der Teil eines kombinierten, nicht gezeigten Kreisprozesses ist), der dazu eingerichtet ist, den ersten abgespaltenen Strom 34 aufzunehmen und einen gekühlten ersten abgespaltenen Strom 40 zu erzeugen. Ein Reinigungssystem 50 ist dazu eingerichtet, den ersten gekühlten abgespaltenen Strom 46 und den zweiten abgespaltenen Strom 36 aufzunehmen und einen Rückführungsstrom 52 zu erzeugen. Im Betrieb wird der Rückführungsstrom 52 mit frischem Oxidationsmittel 12 vermischt, um den Zuführungs-Oxidationsmittelstrom 14 zu erzeugen.
Es sollte klar sein, dass das komprimierte Oxidationsmittel 18 vom Verdichter 16 irgendein geeignetes sauerstoffhaltiges Gas umfassen kann, wie z. B. Luft, sauerstoffreiche Luft und an Sauerstoff verarmte Luft. Der Verbrennungsprozess in der Brennkammer 20 erzeugt den Abgasstrom 22.
Wie dargestellt, kann der Abgasstrom 22 von der Brennkammer 20 in den Expander 24 eingeführt werden. Wie angegeben, schließt das Energieerzeugungssystem 10 einen Generator 28 ein, der an das Turbinensystem 15 angeschlossen ist. Die thermodynamische Expansion des heißen Abgasstromes 22 wird in den Expander 24 geführt, erzeugt Energie zum Antreiben des Gasturbinensystems 15, das seinerseits Elektrizität durch den Generator 28 erzeugt. In dieser Ausführungsform kann Elektrizität vom Generator 28 in eine geeignete Form umgewandelt werden und an ein (nicht gezeigtes) Verteilungsnetzwerk geliefert werden. Das expandierte Abgas 30 vom Expander 24 kann der Aufspaltvorrichtung 32 zugeführt werden. In einer Ausführungsform ist die Aufspaltvorrichtung 32 ein Coanda-Ejektor, der das Aufspalten des Abgasstromes in den ersten und zweiten ab gespaltenen Strom fördert. Der HRSG 38 wird zum Rückgewinnen des Wärmegehaltes des ersten abgespaltenen Stromes 34 zum Erzeugen von Dampf benutzt. Die Temperatur des Abgasstromes 30 liegt bei etwa 700°F bis etwa 1100°F und der gekühlte erste abgespaltene Strom 40 hat eine Temperatur von etwa 60°F bis etwa 200°F.
In einer Ausführungsform schließt das Abgas-Rückführungssystem 54 weiter ein erstes Regelventil 42 ein, das dazu eingerichtet ist, einen Teil des gekühlten ersten Abgases 44 abzulassen. In einer Ausführungsform wird der Strom 44 an die Atmosphäre abgelassen und in einer anderen Ausführungsform wird der Strom 44 zu einer CO₂-Trenneinheit geschickt, um CO₂ abzutrennen, bevor an die Atmosphäre abgelassen wird. Der übrige Teil des gekühlten ersten abgespaltenen Stromes 46 wird mit dem zweiten abgespaltenen Strom 36 vermischt, um einen gemischten Abgasstrom 48 zu erzeugen, und der gemischte Abgasstrom 48 wird zur Reinigungseinheit 50 geschickt. Die Reinigungseinheit 50 ist dazu eingerichtet, Verunreinigungen, wie Feuchtigkeit, Teilchen und saure Gase, aus dem gemischten Abgasstrom 48 zu entfernen, bevor er, als ein Rückführungsstrom 52, zurück zum Einlass des Verdichters 16 geführt wird. Verunreinigungen und Feuchtigkeitsgehalt in einem Abgas verhindern die Nutzung einer einfachen Rückführungsschleife, um die CO₂-Konzentrierung zu bewerkstelligen. Die direkte Rückleitung eines Teiles eines Abgases von einem Turbinensystem kann zu einem Turbinenversagen und beschleunigten Abrieb interner Komponenten aufgrund der Anwesenheit gewisser Verunreinigungen, wie Teilchen und sauren Gasen, in einem Abgasstrom führen. Die Anwesenheit der Reinigungseinheit 50 fördert daher die Entfernung von Verunreinigungen, wie Wasserdampf, sauren Gasen, Aldehyden und Kohlenwasserstoffen, und vermindert die Chancen beschleunigter Korrosion und des Verschmutzens bei den internen Komponenten des Gasturbinensystems 15. Wie in 1 ge zeigt, wird der Rückführungsstrom 52 mit frischem Oxidationsmittel 12 vermischt, um das Zuführungs-Oxidationsmittel 14 für den Verdichter 16 zu erzeugen. Diese Rückführungsoperation erhöht allgemein die CO₂-Konzentration im komprimierten Oxidationsmittelstrom 18 und nachfolgend im Abgas 30.
Der Brennstoffstrom 13 kann irgendein geeignetes Kohlenwasserstoffgas oder eine geeignete Kohlenwasserstoff-Flüssigkeit einschließen, wie Erdgas, Methan, Naphtha, Butan, Propan, Synthesegas, Diesel, Kerosin, Flugbenzin, Brennstoff aus Kohle, Biobrennstoff, oxygenierte Kohlenwasserstoffe und deren Mischungen usw. In einer Ausführungsform ist der Brennstoff primär Erdgas (NG) und daher kann der Abgasstrom 22 aus der Brennkammer 20 Wasser, Kohlendioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO), Stickstoff (N₂), Stickstoffoxide (NO_x), nicht verbrannten Brennstoff und andere Komponenten einschließen.
Das Abgas-Rückführungssystem 54 kann als eine nachrüstbare Einheit zum Einpassen in existierende Gasturbinen benutzt werden, um höhere Konzentration von CO₂ in dem Arbeitsströmungsmittel im Turbinensystem zu erzielen und auch NO_x-Emissionen zu vermindern. Verminderte NO_x-Emission aus der Brennkammer 20 wird erzielt aufgrund der Abnahme des Sauerstoffgehaltes im komprimierten Oxidationsmittel 18, da frische Luft 12 mit dem Rückführungsstrom 52 vermischt wird, der verarmte Sauerstoffniveaus umfasst. In einigen Ausführungsformen ist das Sauerstoffniveau im komprimierten Oxidationsmittelstrom 18 so gering wie etwa 13% bis etwa 15% und das Sauerstoffniveau im Abgas 22 aus der Brennkammer 20 kann so gering sein wie weniger als 2 Vol.-%. Dieses geringere Sauerstoffniveau führt zur Erzeugung von NO_x-Niveaus bis unter 10 ppm und CO₂-Niveaus bis zu 10 Vol.-% im Abgas 22 von der Brennkammer 20.
Abgas-Rückführung (EGR) wird bei den vorliegenden Techniken wirksam benutzt, um das CO₂-Niveau im Abgas zu erhöhen und gleichzeitig NO_x zu vermindern. Die NO_x-Behandlung in irgendeinem Verbrennungsprozess wird typischerweise durch selektive katalytische Reduktion (SCR) und/oder unter Anwendung eines vorvermischten Verbrennungsprozesses erzielt. Die vorliegenden Techniken ergeben geringfügige Modifikationen an den Gasturbinen, einschließlich eines EGR-Systems, das auf existierende Systeme als eine Nachrüstung und untergeordnete Modifizierung der Verbrennungsdüsen angewandt werden kann, um einen flexibleren Betrieb zu gestatten, um geringe NO_x-Bildung und höheres CO₂-Niveau im Abgas zu erzielen. In einer Ausführungsform wird, wie früher erläutert, der Teil des gekühlten Abgases 44 zur (nicht gezeigten) CO₂-Trenneinheit gerichtet. Irgendeine CO₂-Trenntechnologie kann benutzt werden (z. B. Amin-Behandlung, PSA, Membran usw.). Nach dem Abtrennen kann der CO₂-reiche Strom zu einem CO₂-Konditionierungssystem geleitet werden, das ein CO₂-Kompressionssystem einschließt. Die Zunahme der CO₂-Konzentration im Abgasstrom vom Turbinensystem fördert die Wirksamkeit des CO₂-Abtrennprozesses.
2 veranschaulicht ein anderes beispielhaftes Energieerzeugungssystem 60, das das Abgas-Rückführungssystem 54 benutzt. Das Reinigungssystem 50 schließt, wie in 2 gezeigt, eine Wasser-Abschreckungsvorrichtung 62 und einen Entfeuchter 72 ein. Im Betrieb wird zerstäubtes Wasser 64 in die Wasser-Abschreckungsvorrichtung 62 eingeführt. In gewissen Ausführungsformen wird ein (nicht gezeigter) Kühler oder Wärmeaustauscher zusammen mit der Abschreckungseinrichtung 62 benutzt, um die Temperatur des gemischten Abgasstromes 48 auf etwa 60°F bis etwa 120°F zu verringern. Das zerstäubte Wasser in Verbindung mit dem Abfall der Temperatur verursacht, dass die kondensierbaren Materialien in dem gemischten Strom 48 in die Abschreckwasser-Rückführungsschlaufe 62 eintreten. Ein Teil des Wassers 66 wird aus der Abschreckwasser-Rückführungsschlaufe 62 entfernt und durch frisches Wasser 68 ersetzt. Der Ausgangsstrom 70 aus der Abschreckungsvorrichtung wird dem Entfeuchter 72 zugeführt, der übrige Tröpfchen aus dem Ausgangsstrom entfernt und das Rückführen des Rückführungsstromes 52 zum Einlass des Verdichters verursacht. In einer Ausführungsform wird der Rückführungsstrom 52 mit frischem Oxidationsmittel 12, wie Luft, in einer Mischkammer 74 vermischt, um das Zuführungs-Oxidationsmittel 14 für den Verdichter 16 zu erzeugen.
3 veranschaulicht noch ein anderes Energieerzeugungssystem 80, bei dem die Reinigungseinheit 50 eine Abschreckeinheit 62, einen Wärmeaustauscher 82 und einen Entfeuchter 72 einschließt. Im Betrieb verringert das zerstäubte Wasser 64 in der Abschreckeinheit die Temperatur des gemischten Abgases 48 bis zum Sättigungspunkt. Der den Wärmeaustauscher 82 verlassende Ausgangsstrom 84 wird zum Entfeuchter 72 geschickt, bevor er als Rückführungsstrom 52 zum Verdichter 16 geschickt wird.
4 veranschaulicht noch ein anderes Energieerzeugungssystem 100, bei dem die Reinigungseinheit 50 eine Abschreckeinheit 62, einen Wärmeaustauscher 82, einen elektrostatischen Nassabscheider (Nass-ESP) 102 und einen Entfeuchter 72 einschließt. Im Betrieb umfasst das zerstäubte Wasser 64 in der Abschreckeinheit 62 Adsorptionsmaterial, um irgendwelche unerwünschten Materialien im gemischten Abgas 48 zu adsorbieren. Dieser Adsorptionsprozess in der Abschreckeinheit kann Teilchen zu dem Ausgangsstrom 70, der die Abschreckeinheit 62 verlässt, hinzufügen. Der Nass-ESP 102 ist dazu eingerichtet, die Teilchen aus dem Strom 70 zu entfernen. Der Ausgangsstrom 84, der den Wärmeaustauscher 82 verlässt, wird zum Nass-ESP 102 geschickt, bevor er zum Entfeuchter 72 geschickt wird. Der Ausgangsstrom vom Entfeuchter 72 ist der Rückführungsstrom 52, der zurück zum Verdichter 16 geschickt wird. Die zur Abschreckeinheit hinzugefügten Materialien zum Adsorbieren unerwünschter Materialien hängen von den Charakteristika des im Turbinensystem 15 verbrannten Brennstoffes und dem Niveau der erforderlichen Reinigung ab.
5 veranschaulicht noch ein anderes beispielhaftes Energieerzeugungssystem 120. Das Energieerzeugungssystem 120 schließt ein Gebläse 122 ein, das vorgesehen ist, den Druck des gekühlten ersten abgespaltenen Stromes 46 zu erhöhen, bevor er mit dem zweiten abgespaltenen Strom 36 vermischt wird. Wie in 5 gezeigt, wird der Ausgangsstrom von der Reinigungseinheit 50 zu einem zweiten Regelventil 130 geschickt, um einen Teil 132 an einen Notfallstapel abzugeben. Im Betrieb sorgt die Verfügbarkeit eines zweiten Regelventils 130 im Abgas-Rückführungssystem 54 für einen anderen Grad der Flexibilität, um die optimale Leistungsfähigkeit des gesamten Energieerzeugungssystems 120 zu regeln. In Situationen, bei denen die Reinigungseinheit 50 oder irgendeine andere Einheit im Abgas-Rückführungssystem 54 nicht richtig funktioniert, kann das zweite Regelventil 130 den gesamten oder einen großen Teil des Ausgangsstromes 128 von der Reinigungseinheit 150 ablassen und als ein Resultat irgendeine Beschädigung der internen Komponenten des Gasturbinensystems 15 verhindern. In einigen Ausführungsformen werden unter Einsatz des ersten und zweiten Regelventils 42 und 130 bis zu 50% des Abgases 30 als der Rückführungsstrom 52 zurück in den Verdichter 16 geleitet.
Die Abgas-Rückführungssysteme, wie sie in den 1 bis 5 beschrieben sind, benutzen ein integriertes Regelsystem. Das Regelsystem integriert den Betrieb jeder Einheit im Abgas-Rückführungssystem, um eine optimale Leistungsfähigkeit der Energieerzeugungssysteme zu erzielen. In einer Aus führungsform kann das Regelsystem durch ein (in den Figuren nicht gezeigtes) kontinuierliches Überwachungssystem angetrieben werden, das am Einlass der Mischkammer 74 installiert ist. Das kontinuierliche Überwachungssystem misst die Bestandteile im Rückführungsstrom 52 und gibt eine Rückmeldung an das Regelsystem. Auf der Grundlage dieser Rückmeldung kann das Regelsystem Parameter einstellen, einschließlich der Abschreck-Rückführungsrate, der Sorptionsmittel-Injektionsrate in die Abschreckeinheit und der Gastemperaturen an verschiedenen Stellen im Abgas-Rückführungssystem 54, darauf jedoch nicht beschränkt. Das Regelsystem kann auch die Betriebsparameter des Gasturbinensystems 15 und die Umgebungsbedingungen in die Gesamtlogik integrieren. Das Regelsystem kann die Gastemperatur an Schlüsselstellen der Energieerzeugungssysteme optimieren, um das wirksamste Kühlen sicherzustellen.
6 zeigt das NO_x-Niveau im Abgas 30 als eine Funktion der Flammentemperatur in der Brennkammer 20 bei verschiedenen Sauerstoffniveaus, die im komprimierten Oxidationsmittel 18 vorhanden sind. Die NO_x-Bildung unter Einsatz von 21% Sauerstoff (repräsentiert durch Punkte 150 und 152) liegt im Bereich von 20–60 ppm, während die Flammentemperatur von 2400 auf 3200°F ansteigt. Im Gegensatz dazu liegt die NO_x-Bildung unter Einsatz von 16,8% Sauerstoff (repräsentiert durch die Punkte 154, 156 und 158) im Bereich von 2–14 ppm, während die Flammentemperatur von 2400 auf 3200°F ansteigt. Die Resultate zeigen deutlich eine Abnahme in der NO_x-Bildung durch Einsatz von Oxidationsmittel mit weniger Sauerstoffgehalt, wobei diese Abnahme ein Resultat der Benutzung der oben beschriebenen Abgas-Rückführungssysteme ist.
7 zeigt Trends in der NO_x-Bildung mit Zunahmen in der Abgas-Umwälzung (EGR). Die Flammentemperaturen in der Brennkammer 20 gehen von 2600°F (gezeigt durch Kurve 202) bis 3100°F (gezeigt durch Kurve 192). Dazwischen repräsentieren die Kurven 194, 196, 198 und 200 Flammentemperaturen von 3000°F, 2900°F, 2800°F bzw. 2700°F. Die Konzentration von Sauerstoff im Abgas 22 aus der Brennkammer nimmt mit abnehmender Abgas-Rückleitung entlang den Kurven 180, 182, 184, 186, 188 und 190 zu. Es ist klar aus 7, dass bei einer fixierten Flammentemperatur (z. B. Kurve 192, die 3100°F repräsentiert) die NO_x-Bildung mit zunehmender EGR abnimmt. Eine ähnliche Beobachtung ist in Kurven 194, 196, 198, 200 und 202 veranschaulicht.
8 zeigt die Trends in der Konzentration von Kohlendioxid (aufgetragen in Achse 222) mit variierender Flammentemperatur (aufgetragen in Achse 220) und EGR. Nimmt die EGR von 0% (gezeigt durch Linie 224) auf 40% (gezeigt durch Linie 226) entlang dem Pfeil 228 zu, nimmt die Konzentration von CO₂ zu, da größere Teile des Abgases als Rückführungsstrom 52 in den Einlass des Verdichters zurückgeführt werden.
Die hierin beschriebenen Energieerzeugungssysteme schließen eine nachrüstbare Abgas-Rückführungseinheit ein, die als eine Nachrüstung für Turbinen ausgeführt werden kann, die geringere Niveaus der NO_x-Bildung erfüllen müssen ebenso wie eine wirksamere CO₂-Abtrennung in Situationen gestatten, in denen CO₂-Abtrennung erforderlich ist. Die nachrüstbare Lösung ist eine Option für die Energieerzeugung mit Abgas, das CO₂-arm ist und ein geringeres NO_x-Niveau hat als ein NO_x-Niveau, das typischerweise in einem Verbrennungsprozess beobachtet wird. Die höhere Konzentration von CO₂ in dem Abgas von der Brennkammer hat schließlich einen signifikanten Einfluss auf die Abtrennungskosten für CO₂, bevor das Abgas an die Atmosphäre abgelassen wird, und erspart bis zu 35% der Kosten der Anlage. Diese Technik gestattet das Betreiben der Gasturbine normalerweise mit Brennereinlass-Sauerstoffniveaus so gering wie 13% und Ausgangsniveaus an Sauerstoff bis zu weniger als 2%, während NO_x auf Niveaus von weniger als 10 ppm verringert wird. In einigen Ausführungsformen kann das NO_x-Niveau geringer als 5 ppm ohne Einsatz eines selektiven katalytischen Reduktions (SCR)-Prozesses sein. Die in allen hierin beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellte Reinigungseinheit sorgt für einen sauberen Abgas-Rückführungsstrom, wobei der Reinigungsprozess Beschädigung an den internen Komponenten des Turbinensystems durch Entfernen unerwünschter Materialien, wie Teilchen, Feuchtigkeit, Aldehyde und saure Gase, verhindert. Das Turbinensystem ist daher betriebsmäßig zuverlässiger. Die Benutzung von zwei Regelventilen zum Regeln der Abgabe des Abgases fügt mehr Flexibilität hinzu, um eine optimale Leistungsfähigkeit des Energieerzeugungssystems zu erzielen, und bietet auch ein Regelsystem zum Verhindern irgendeiner Beschädigung an den internen Komponenten des Turbinensystems im Falle irgendeines Versagens im Reinigungssystem.
Während nur gewisse Merkmale der Erfindung hierin veranschaulicht und beschrieben wurden, werden dem Fachmann viele Modifikationen und Änderungen zugänglich sein. Es sollte daher klar sein, dass die beigefügten Ansprüche alle solchen Modifikationen und Änderungen umfassen, die in den wahren Geist der Erfindung fallen.
Ein Energieerzeugungssystem 10 schließt ein Gasturbinensystem 15 ein. Das Turbinensystem 15 schließt eine Brennkammer 20, die dazu eingerichtet ist, einen Brennstoffstrom 13 zu verbrennen, einen Verdichter 16, der dazu eingerichtet ist, einen Zuführungs-Oxidationsmittelstrom 14 aufzunehmen und ein komprimiertes Oxidationsmittel 18 der Brennkammer 20 zuzuführen, und einen Expander 24 ein, der zur Aufnahme eines Abgases 22 von der Brennkammer 20 und zum Erzeugen eines Kohlendioxid umfassenden Abgases 30 und von elektrischer Energie eingerich tet ist. Das System 10 schließt weiter ein nachrüstbares Abgas-Rückführungssystem 54 ein, das eine Trenneinrichtung 32, die zum Aufspalten des Abgases 30 in einen ersten abgespaltenen Strom 34 und einen zweiten abgespaltenen Strom 36 eingerichtet ist, einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 38, der zur Aufnahme des ersten abgespaltenen Stromes 34 und zum Erzeugen eines gekühlten ersten abgespaltenen Stromes 40 eingerichtet ist, und ein Reinigungssystem 50 ein, das zur Aufnahme des ersten gekühlten abgespaltenen Stromes 40 und des zweiten abgespaltenen Stromes 36 und zum Erzeugen eines Rückführungsstromes 52 eingerichtet ist, wobei der Rückführungsstrom 52 mit dem frischen Oxidationsmittel 12 vermischt ist, um den Zuführungs-Oxidationsmittelstrom 14 zu erzeugen.

Claims

Energieerzeugungssystem (10), umfassend: ein Gasturbinensystem (15), umfassend: eine Brennkammer (20), die zum Verbrennen eines Brennstoffstromes (13) eingerichtet ist; einen Verdichter (16), der zur Aufnahme eines Zuführungs-Oxidationsmittelstromes (14) und zur Lieferung eines komprimierten Oxidationsmittels (18) an die Brennkammer (20) eingerichtet ist; und einen Expander (24), der zur Aufnahme eines Abgases (22) von der Brennkammer 20) und zum Erzeugen eines Kohlendioxid umfassenden Abgases (30) und von elektrischer Energie eingerichtet ist; und ein nachrüstbares Abgas-Rückführungssystem (54), umfassend: eine Trenneinrichtung (32), die zum Spalten des Abgases (30) in einen ersten abgespaltenen Strom (34) und einen zweiten abgespaltenen Strom (36) eingerichtet ist; einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (38), der zur Aufnahme des ersten abgespaltenen Stromes (34) und zum Erzeugen eines gekühlten ersten abgespaltenen Stromes (40) eingerichtet ist; und ein Reinigungssystem (50), das zur Aufnahme des ersten gekühlten abgespaltenen Stromes (40) und des zweiten abgespaltenen Stromes (36) und zum Erzeugen eines Rückführungsstromes (52) eingerichtet ist, wobei der Rückführungsstrom (52) mit dem frischen Oxidationsmittel (12) vermischt ist, um den Zuführungs-Oxidationsmittelstrom (14) zu erzeugen.
System nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Gebläse (122), um den gekühlten ersten abgespaltenen Strom (40) unter Druck zu setzen.
System nach Anspruch 1, worin das Reinigungssystem (50) eine Wasser-Abschreckeinheit (62), einen Entfeuchter (72) und einen Wärmeaustauscher (82) umfasst.
System nach Anspruch 1, weiter umfassend ein erstes Regelventil (42) und ein zweites Regelventil (130), wobei das erste Regelventil (42) dazu eingerichtet ist, einen Teil des gekühlten ersten Abgases (44) abzulassen, wobei das zweite Regelventil (130) dazu eingerichtet ist, einen Teil des Rückführungsstromes (132) abzulassen.
System nach Anspruch 3, worin der Wärmeaustauscher (82) einer ausgewählt aus der Liste bestehend aus einem Trockner, einem Kondensator, einem Kühler, einem Adsorptionskühler oder einer Kombination davon ist.
System nach Anspruch 1, worin bis zu 50% des Abgases (30) zum Verdichter zurückgeführt werden.
System nach Anspruch 1, worin die Trenneinrichtung (32) einen Coanda-Ejektor umfasst.
System nach Anspruch 1, worin der Abgasstrom (30) Oxide von Stickstoff (NO_x) bei etwa 2 ppm bis etwa 14 ppm umfasst.
System nach Anspruch 1, worin der Zuführungs-Oxidationsmittelstrom (14) eines von Luft oder sauerstoffarmer Luft umfasst.
System nach Anspruch 1, worin der Brennstoff (13) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Erdgas, Methan, Methanol, Ethanol, Ethan, flüssigem Petroleumgas (LPG), Naphtha, Butan, Propan, Diesel, Kerosin, einem Flugzeugtreibstoff, einem aus Kohle gewonnenen Treibstoff, einem Biotreibstoff, Gasöl, Rohöl, einem oxygenierten Kohlenwasserstoffmaterial, Raffinerie-Abgas, assoziiertem Gas und Mischungen davon.