DE102010034276B4 - Kombinierter Kraftwerksprozess mit Abgasreinigungsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Kombinierter Kraftwerksprozess mit Abgasreinigungsverfahren, bei dem ein Arbeitsmedium (1) in mindestens einer Kompressionseinheit (V-1) verdichtet wird, dann in mindestens einem Wärmetauscher (WAB-1) gekühlt wird, in mindestens einer weiteren Kompressionseinheit (NV-1) weiter verdichtet wird, dann in einer Brennkammer (BK-1) mit einem Brennstoff (6) chemisch reagiert, dann in mindestens einer Turbineneinheit (T-1) entspannt und abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium in mindestens einer Abgasreinigungsapparatur (A-1) mit einem Waschmittel (9) in Berührung kommt und dann aus dem Prozess über die Punkte (14) und/oder (13) einer Weiterverwendung zugeführt wird, wobei das mit Abgasbestandteilen beladene Waschmittel (9) von der Abgasreinigungsapparatur (A-1) mindestens einer Waschmittelregenerationsapparatur (D-1) zugeführt wird, und dass dem Arbeitsmedium zwischen den Punkten (2) und (3) und/oder (2-1) und (3-1) thermische Energie entzogen wird, die dem mit Abgasbestandteilen beladenen Waschmittelstrom zwischen den Punkten (10) und (12) zugeführt wird, wobei der Waschmittelstrom anschließend von der Waschmittelregenerationsapparatur (D-1) zurück in die Abgasreinigungsapparatur (A-1) geführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen kombinierten Kraftwerksprozess mit Abgasreinigungsvorrichtung, d. h. ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine sowie zum Betrieb einer daran angeschlossenen Abgasreinigungsvorrichtung, und bezieht sich auf die Nutzung der während der Kompression des Gasturbinenarbeitsmediums entstehenden Wärme für die Abtrennung bestimmter Komponenten aus einem Stoffstrom (vorzugsweise Kohlendioxid).
  • Der Betriebsprozess einer Gasturbine besteht im weitesten Sinne aus drei Hauptschritten; der Verdichtung eines Arbeitsmediums, der Zuführung von Energie zur Erhöhung der Betriebstemperatur des Arbeitsmediums, sowie einem Prozess zur Entspannung und Abkühlung des Arbeitsmediums zwecks Erzeugung mechanischer Rotationsenergie.
  • Demgegenüber ist jeder kontinuierlich ablaufende Prozess zur Trennung von Stoffen dadurch gekennzeichnet, dass diesem zum kontinuierlichen Betrieb Energie zugeführt werden muss.
  • Die vorliegende Erfindung nutzt die während der Kompression des Gasturbinenarbeitsmediums erzeugte Wärme derart, dass diese kontinuierlich an den Stofftrennprozess übertragen wird.
  • Durch diese Energieübertragung vom Kompressionsprozess an den Stofftrennprozess ergeben sich zwei wesentliche Vorteile:
    • 1) Steigerung der erzeugten Nettorotationsenergie des Gasturbinenprozesses bei gleichbleibender Energiezufuhr und
    • 2) Verringerung der aus dritten Quellen aufzubringenden Energie zum Betrieb eines Stofftrennprozesses.
  • Diese Kombination ist darüber hinaus besonders sinnvoll sofern Kohlenstoffdioxid (CO2) aus einem ursächlich einem Gasturbinenprozess entstammendem Abgasstrom abgetrennt werden soll.
  • Obwohl die sogenannte Zwischenkühlung eines Gasturbinen Verdichters bereits seit längerem Stand der Technik ist, bleibt diese Möglichkeit der Leistungssteigerung der Gasturbine, aufgrund der mit einem Zwischenkühlsystem verbundenen erhöhten Investitionskosten bislang ungenutzt. Weiterhin ist es als Stand der Technik anzusehen Stofftrennprozessen, zum Zwecke der Regeneration eines Waschmittel bzw. eines Lösungsmittels Energie zuzuführen um einen kontinuierlichen Prozessablauf zu ermöglichen.
  • Sofern es aber Ziel ist mit Hilfe einer kombinierten Anlage sowohl Rotationsenergie zu erzeugen als auch große Mengen eines bestimmten Stoffes (z. B. CO2) aus einem Stoffstrom abzutrennen, dann führt die beschriebene Kombination zu einer deutlichen Erhöhung des Wirkungsgrades der Gesamtanlage.
  • Angewendet auf ein Kombikraftwerk mit Gasturbine (d. h. Gasturbinenkraftwerk sowie Gas- und Dampfturbinenkraftwerk) mit einer im Abgaspfad angeordneten Kohlendioxidabtrennvorrichtung beschreibt diese Erfindung ein Verfahren zur Abtrennung großer Mengen des als Klimaschadstoff bekannten Kohlendioxids aus einem Kraftwerksabgas. Gegenüber konventionellen Kraftwerksprozessen mit Gasturbine und integrierter Kohlendioxidabtrennung fällt bei dem hier beschriebenen kombinierten Kraftwerksprozess die Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades deutlich geringer aus.
  • Der in 6 dargestellte kombinierte Kraftwerksprozess mit Abgasreinigungsverfahren weist bei einer Kohlendioxidabtrennrate von 44,16% einen theoretischen Anlagenwirkungsgrad von 61,97% auf. Die Berechnung dieser Werte wurde für den Brennstoff Methan erstellt. Weiterhin beträgt der Verdichterenddruck des dargestellten Gasturbinenprozesses vorzugsweise 20 bar. Der Druck des verdichteten Kohlendioxids am Prozessausgang (28) beträgt 110 bar.
  • Aber auch in Kombination mit Kohlevergasungsanlagen führt die Anwendung des hier beschriebenen Prozesses zu einer deutlichen Verbesserung des Wirkungsgrades bzw. der Energieausbeute im Vergleich zu bislang verfolgten Kraftwerkskonzepten.
  • Bezugszeichenliste
  • Allgemeines zur Bezeichnung:
  • Da diverse Apparate sowie Positionen im hier vorliegenden Kontext in mehrfacher Ausführung auftreten können, kann zu dessen Unterscheidung, sofern erforderlich, stets ein Bindestrich gefolgt von einer Nummerierung angehängt sein.
  • Bezeichnungen beginnend mit Lateinischen Buchstaben:
    • A-1
      Abgasreinigungsapparatur
      AS-1
      Apparatur zur Zugabe weiterer Stoffströme
      BK-1
      Brennkammer
      D-1
      Waschmittelregenerationsapparatur
      NV-1
      Kompressionseinheit zur weiteren Druckerhöhung
      REK-1
      Rekuperator
      T-1
      Turbineneinheit, zur Entspannung und Abkühlung des Arbeitsmediums
      V-1
      Kompressionseinheit zur Druckerhöhung eines Arbeitsmediums
      WAB-1
      Wärmeübertrager zwischen Arbeitsmedium und der Wärmetransportapparatur (Kompressorzwischenkühler)
      WT-1
      Wärmetransportapparatur
      WÜ-1
      Wärmeübertrager zwischen Arbeitsmedium und mit Abgasbestandteilen beladenem Waschmittel
      WZU-1
      Wärmeübertrager zwischen Wärmetransportapparatur und mit Abgasbestandteilen beladenem Waschmittel
      KE-1
      Wärmeübertrager bzw. Abhitzedampferzeuger im Abgasstom
      DT-1
      Dampfturbinenanlage
      KO-1
      Kondensator
      KP-1
      Speisewasserpumpe
      CV-1
      Kompressionsanlage zur Verdichtung der aus dem Abgas abgetrennten Bestandteile
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Stoffstrom des Hauptarbeitsmediums
    2
    Stoffstrom des Hauptarbeitsmediums am Austritt aus einem Kompressor
    3
    Stoffstrom des Hauptarbeitsmediums am Eintritt in eine Nachverdichtung
    4
    Stoffstrom des Hauptarbeitsmediums am Eintritt in eine Brennkammer
    5
    Stoffstrom des Hauptarbeitsmediums am Eintritt in eine Turbine
    6
    Brennstoffstrom (beispielsweise Erdgas, Dieselöl, Methanol, Kohlegas etc.)
    7
    Stoffstrom des Hauptarbeitsmediums bzw. Abgas am Austritt aus einer Turbine
    8
    Stoffstrom des Hauptarbeitsmediums bzw. Abgas am Eintritt in eine Abgasreinigungsapparatur
    9
    Stoffstrom eines Waschmittels am Eingang in eine Abgasreinigungsapparatur
    10
    Stoffstrom eines Waschmittels das mit Teilen des Abgases beladen ist, am Ausgang aus einer Abgasreinigungsapparatur
    11
    Ein beliebiger Punkt innerhalb der Abgasreinigungsapparatur an dem Abgas und Waschmittel stofflich miteinander in Kontakt treten
    12
    Ein beliebiger Punkt innerhalb der Waschmittelregenerationsapparatur an dem sich Abgas und Waschmittel voneinander lösen.
    13
    Stoffstrom der aus dem Abgas entfernten Bestandteile am Austritt aus der Waschmittelregenerationsapparatur.
    14
    Stoffstrom des Restabgases am Austritt aus der Abgasreinigungsapparatur
    15
    Strom eines Wärmetransportmediums an beliebiger Stelle zwischen WZU und WAB, das von WZU nach WAB strömt
    16
    Strom eines Wärmetransportmediums an beliebiger Stelle zwischen WAB und WZU, das von WAB nach WZU strömt
    17
    Strom eines in den Hauptarbeitsstrom hinzugegebenen Stoffes (Vorzugsweise Wasser)
    18
    Stoffstrom aus einem Seitenabzug der Abgasreinigungsapparatur
    19
    Vom Abgasstrom abzweigender Teilstrom am Eintritt in einen Rekuperator
    20
    Abgasteilstrom am Ausgang aus einem Rekuperator, der dem Hauptabgasstrom wieder zugegeben wird.
    21
    Abgasteilstrom am Eingang in einen Abhitzedampferzeuger
    22
    Abgasteilstrom am Ausgang aus einem Abhitzedampferzeuger
    23
    Wasserdampfstrom am Eintritt in einen Dampfturbinenprozess
    24
    Wasser bzw. Wasserdampfstrom am Eingang in einen Kondensator
    25
    Strom kondensiertem Wassers (Speisewasser) am Ausgang eines Kondensators
    26
    Speisewasserstrom am Eingang in den Abhitzedampferzeuger
    27
    Strom eines in den Hauptarbeitsstrom hinzugegebenen Stoffes (Vorzugsweise Wasser)
    28
    Strom komprimierten Kohlendioxids am Austritt einer Kohlendioxidverdichtung
  • Bezeichnungen der Abbildungen:
  • 1 Kombinierter Kraftwerksprozess mit Abgasreinigungsverfahren,
    – Variante mit zweistufiger zwischengekühlter Kompression
  • 2 Kombinierter Kraftwerksprozess mit Abgasreinigungsverfahren,
    – Variante mit zweistufiger zwischengekühlter Kompression und vom Luftmassenstrom direkt durchströmtem Wärmetauscher im Desorbersumpf
  • 3 Kombinierter Kraftwerksprozess mit Abgasreinigungsverfahren,
    – Variante mit dreistufiger zwischengekühlter Kompression
  • 4 Kombinierter Kraftwerksprozess mit Abgasreinigungsverfahren,
    – Variante mit sequentiellen Brennkammern
  • 5 Kombinierter Kraftwerksprozess mit Abgasreinigungsverfahren,
    – Variante mit Rekuperator und Wasserzugabe
  • 6 Kombinierter Kraftwerksprozess mit Abgasreinigungsverfahren,
    – Variante mit Rekuperator, Wasserzugabe, sequenzieller Brennkammer, Abhitzedampferzeuger und Dampfturbinenprozess
  • 7 Kombinierter Kraftwerksprozess mit Abgasreinigungsverfahren,
    – Variante mit dreistufiger zwischengekühlter Kompression und angehängtem Dampfturbinenprozess

Claims (7)

  1. Kombinierter Kraftwerksprozess mit Abgasreinigungsverfahren, bei dem ein Arbeitsmedium (1) in mindestens einer Kompressionseinheit (V-1) verdichtet wird, dann in mindestens einem Wärmetauscher (WAB-1) gekühlt wird, in mindestens einer weiteren Kompressionseinheit (NV-1) weiter verdichtet wird, dann in einer Brennkammer (BK-1) mit einem Brennstoff (6) chemisch reagiert, dann in mindestens einer Turbineneinheit (T-1) entspannt und abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium in mindestens einer Abgasreinigungsapparatur (A-1) mit einem Waschmittel (9) in Berührung kommt und dann aus dem Prozess über die Punkte (14) und/oder (13) einer Weiterverwendung zugeführt wird, wobei das mit Abgasbestandteilen beladene Waschmittel (9) von der Abgasreinigungsapparatur (A-1) mindestens einer Waschmittelregenerationsapparatur (D-1) zugeführt wird, und dass dem Arbeitsmedium zwischen den Punkten (2) und (3) und/oder (2-1) und (3-1) thermische Energie entzogen wird, die dem mit Abgasbestandteilen beladenen Waschmittelstrom zwischen den Punkten (10) und (12) zugeführt wird, wobei der Waschmittelstrom anschließend von der Waschmittelregenerationsapparatur (D-1) zurück in die Abgasreinigungsapparatur (A-1) geführt wird.
  2. Kombinierter Kraftwerksprozess mit Abgasreinigungsverfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Strom des Arbeitsmediums innerhalb der Abgasreinigungsapparatur (A-1) einen Teil seiner Bestandteile an das Waschmittel überträgt, wo sie gebunden werden.
  3. Kombinierter Kraftwerksprozess mit Abgasreinigungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Übertragung der thermischen Energie aus dem Bereich zwischen den Punkten (2) und (3) bzw. (2-1) und (3-1) an den Bereich zwischen den Punkten (10) und (12) entweder durch einen Wärmeübertrager (WÜ-1), über Wärmeleitung, über Wärmestrahlung oder über Wärmetransport mittels Wärmetransportvorrichtung (WT-1) erfolgt.
  4. Kombinierter Kraftwerksprozess mit Abgasreinigungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Arbeitsmedium zwischen den Punkten (7) und (8) weitere Prozessschritte und/oder Apparaturen durchläuft, wobei sich dessen physikalische und/oder chemische Eigenschaften verändern.
  5. Kombinierter Kraftwerksprozess mit Abgasreinigungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zusätzlich zwischen der weiteren Kompressionseinheit (NV) und der Brennkammer (BK) ein Rekuperator (REK-1) und/oder eine Zumischung weiterer Stoffströme (17) durch eine Apparatur zur Zugabe weiterer Stoffströme (AS-1) angeordnet ist.
  6. Kombinierter Kraftwerksprozess mit Abgasreinigungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die einzelnen Apparaturen bzw. Bauteile (A-1, D-1, V-1, NV-1, WZU-1, WAB-1, WÜ-1, WT-1, BK-1, T-1, D-1, AS-1 und/oder REK-1) in mehrfacher Ausführung im Prozess ausgeführt sind.
  7. Kombinierter Kraftwerksprozess mit Abgasreinigungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich zwischen den Apparaturen (A-1, D-1, V-1, NV-1, WZU-1, WAB-1, WÜ-1, WT-1, BK-1, T-1, D-1, AS-1 und/oder REK-1) und/oder speziell an den Punkten (9), (10), (11) und/oder (12) zusätzliche Wärmeübertrager, Regelarmaturen, Pumpen, Kompressoren, Zumischungen, weitere Stoffabtrennapparaturen und/oder Drosselungen befinden.
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DE695838C (de) * 1938-02-24 1940-09-04 Michael Martinka Dipl Ing Mit einem gasfoermigen Arbeitsmittel betriebene Kraftmaschinenanlage
CH264420A (de) * 1941-04-18 1949-10-15 Westinghouse Electric Corp Verfahren zur Krafterzeugung und Gasturbinenanlage zur Ausübung des Verfahrens.
US3100376A (en) * 1960-10-10 1963-08-13 Exxon Research Engineering Co Method of cleaning engine exhaust gases
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