DE10253641A1 - Verfahren zur Verstromung kohlenstoffhaltiger Energieträger ohne gasförmige CO2-Emission - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstromung kohlenstoffhaltiger Energieträger ohne gasförmige CO¶2¶-Emission durch Umwandlung der durch Verbrennung freigesetzten Wärme in Elektroenergie über je einen zwischengeschalteten Gas- und Dampfturbinenprozess mit Abtrennung eines der Verbrennungsgasmenge entsprechenden Abgasstromes zur anschließenden Aufkonzentration, Verdichtung und Verflüssigung von CO¶2¶ ohne oder auch im Gemisch mit SO¶2¶. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, kohlenstoffhaltige Energieträger so verstromen zu können, dass gasförmige CO¶2¶-Emissionen vollständig vermieden werden und sich trotzdem energetische Vorteile in einer solchen Größenordnung ergeben, die nach Abzug des erhöhten elektrischen Eigenbedarfes zur Vermeidung der gasförmigen CO¶2¶-Emission immer noch Nettowirkungsgrade von 45% und höher (brennstoffabhängig) ermöglichen und der dafür benötigte Anlagenumfang technisch und wirtschaftlich beherrschbar bleibt. DOLLAR A Dies wird dadurch erreicht, dass erfindungsgemäß parallel zum konventionellen Wasser-Dampf-Kreislauf ein Abgas-Kreislauf als ein zweiter, zusätzlicher Kreislauf aufgebaut und beide Kreisläufe technologisch derart miteinander gekoppelt werden, dass sich Bruttowirkungsgrade ergeben, die brennstoffabhängig bei 60% und höher liegen. DOLLAR A Dazu werden in den Abgas-Kreislauf einbezogen DOLLAR A - zwei Druckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktoren, in denen einem zirkulierten Abgas durch Verbrennung der C-haltigen Brennstoffe weitere ...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstromung kohlenstoffhaltiger Energieträger ohne gasförmige CO₂-Emission durch Umwandlung der durch Verbrennung freigesetzten Wärme in Elektroenergie über je einen zwischengeschalteten Gas- und Dampftwbinenprozeß mit Abtrennung eines der Verbrennungsgasmenge entsprechenden Abgasstromes zur anschließenden Aufkonzentration, Verdichtung und Verflüssigung von CO₂ ohne oder auch im Gemisch mit SO₂.
• Die Verbrennung C-haltiger Brennstoffe als die weltweit am meisten genutzte Möglichkeit zur Energieumwandlung führt naturgesetzlich zur Bildung von CO₂. Dieses CO₂ wird bisher gasförmig in die Atmosphäre emittiert. Soll aus ökologischem Grund diese CO₂-Emission bei der Energieumwandlung spürbar eingeschränkt oder auch gänzlich vermieden werden, so ist entweder die Abkehr von diesen Verbrennungstechnologien oder aber der Einsatz qualitativ neuer Umwandlungstechnologien bei Kapazitätsersatz und/oder -erweiterung erforderlich. Glücklicherweise lässt sich das durch Verbrennung gebildete gasförmige CO₂ bekanntlich nach dessen Aufkonzentration aus einem Gasgemisch mit nachfolgender Verdichtung und Kühlung verflüssigen, sodaß eine Entsorgung beispielsweise in poröse Gesteinsschichten der Lithosphäre vorgenommen werden kann und auf diesem Wege die Emission in die Atmosphäre entfällt (sog. Null-Emission).
• Geht man von dieser Möglichkeit der Ein- oder Endlagerung von verflüssigtem CO₂ als gegeben aus, verbleibt die Aufgabe der CO₂-Verflüssigung als integraler Bestandteil qualitativ neuartiger Energieumwandlungstechnologien mittels Energiefreisetzung durch Verbrennung C-haltiger Brennstoffe. Hierzu ist aus [1], [2], [3], [4] bekannt, die Verbrennung mit aus einer Luftzerlegungsanlage gewonnenem „reinen" Sauerstoff durchzuführen und so den Luftstickstoff als Komponente bisheriger Rauchgase oder Abgase a priori ausschließen zu können. Die somit für die Wärmeübertragung allerdings fehlende Gasmenge soll durch zirkuliertes, CO₂-reiches Abgas ersetzt werden. Damit entsteht im wesentlichen eine O₂/CO₂/H₂O-geführte Feuerung. Neben dem Kohlenstoff (C-Gehalt) besitzen die Brennstoffe u. a. a. Wasserstoff und teilweise einen erheblichen Feuchtegehalt. Sowohl Ausgangsfeuchte als auch das aus der H-Verbrennung gebildete gasförmige H₂O liefern den gesamten H₂O-Anteil des Rauch- bzw. Abgases, der vollständig abgetrennt werden muß, bevor CO₂ verflüssigt werden kann. Zusammengefaßt ergeben sich mit dem Ziel der CO₂-Verflüssigung nach dem eigentlichen Verbrennungsprozeß als qualitativ neue technologische Erfordernisse
• – die Herstellung reinen Sauerstoffs parallel zum Energiefreisetzungsprozeß durch Verbrennung
• – die Abtrennung der Gesamtfeuchte aus dem von einer zirkulierten Abgasmenge abzutrennenden Abgasgemisch
• – die Verdichtung und Kondensation des im Verbrennungsprozeß gebildeten CO₂
• – die Überlagerung der Verbrennung mit zirkuliertem Abgasgemisch aus CO₂ und H₂O zur Senkung der Verbrennungstemperatur in der Brennkammer und zur Leistungssteigerung der Wärmeüberragung in Strahlungs- und Konvektionsheizflächen durch Aufbau eines Kreislaufes für das Abgasgemisch.
• [1] Croiset, E.; Thambimuthu, K.;Palrner, A. „Coal Combustion in O₂/CO₂-Mixtures compares with air" Canadian Journal of Chemical Engineering, v 78,2, Apr.2000, P.402–407
• [2] Birkestad, H. „Separation and Compression of CO₂ in a O₂/CO₂-fired Power Plant" Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden 2002, Report T2002-262
• [3] Yantovskii, E.L;Zwagolsky, K.N.;Gavrilenko, V.A. „Stack Downward : the Concept of Zero Emission Fuel-Fired Power Plants" IEA Greenhouse Gas Research&Development Mitigation Options Conference, London, Aug. 1995
• [4] Göttlicher, G. „Energetik der Kohlendioxidrückhaltung in Kraftwerken" Dissertation 1999, Universität GH Essen
• Wie diese Analyse der bisher bekannten Lösungsvorschläge zeigt, gibt es bei Erfüllung dieser neuartigen technologischen Erfordernisse zumindest zwei schwerwiegende Nachteile:
• 1. der elektrische Eigenbedarf steigt derart überproportional an, dass sich bei konstanter Generator- bzw. Bruttoleistung z.B. eines Braunkohlekraftwerkes dessen Nettowirkungsgrad von 42 % um ca. 10%-Punkte auf 32 % reduziert,
• 2. trotz Wegfall der bisher erkannten Entschwefelungsanlage nimmt der Anlagenumfang ebenfalls spürbar zu.
• Insgesamt erhöhen beide Aspekte die spezifischen Stromgestehungskosten um ca. 40 bis 60%.
• Damit ist absehbar, dass die Realisierung eines derartigen Konzeptes trotz erreichter CO₂-Null-Emission zum Scheitern verurteilt ist, solange der verbleibende Nettowirkungsgrad nicht erneut deutlich angehoben werden kann und dabei die Zunahme des Anlagenumfanges nicht mindestens moderat bleibt bzw. durch Kostensubstitution eine Erhöhung der spezifischen Stromgestehungskosten vermieden werden kann.
• Zum wiederholten Male kommt es darauf an, aus der Not zur Veränderung eine Tugend zu machen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, kohlenstoffhaltige Energieträger so verstromen zu können, dass gasförmige CO₂-Emissionen vollständig vermieden werden und sich trotzdem energetische Vorteile in einer solchen Größenordnung ergeben, die nach Abzug des erhöhten elektrischen Eigenbedarfes zur Vermeidung der gasförmigen CO₂-Emission immer noch Nettowirkungsgrade von 45 % und höher (brennstoffabhängig) ermöglichen und der dafür benötigte Anlagenumfang technisch und wirtschaftlich beherrschbar bleibt.
• Dies wird erfindungsgemäß durch die Patentanspruche gelöst, wobei parallel zum konventionellen Wasser-Dampf-Kreislauf ein Abgas-Kreislauf als ein zweiter, zusätzlicher Kreislauf aufgebaut und beide Kreisläufe technologisch derart miteinander gekoppelt werden, dass sich Bruttowirkungsgrade ergeben, die sich dem Carnot-Wirkungsgrad weitestgehend annähern und brennstoffabhängig bei 60 % und höher liegen.
• Dazu werden in den Abgas-Kreislauf einbezogen
• – zwei Druckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktoren, in denen einem zirkulierten Abgas durch Verbrennung der C-haltigen Brennstoffe weitere Verbrennungsgase zugeführt werden
• – ein Abhitzewärmetauscher, an dessen kaltem Ende der Mischgasstrom durch zwei Absaugungen unterschiedlicher Größenordnung geteilt wird, wobei der kleinere Teilstrom genau soviel Abgas enthält, wie bei der zuvor erfolgten Verbrennung entstanden ist , und ein drei- bis fünfmal größerer Teilstrom zirkuliert wird,
• – zwei Gasturbinen, wobei die erste zwischen die beiden Druckverbrennungsreaktoren und die zweite zwischen zweitem Druckverbrennungsreaktor und Abhitzewärmetauscher geschaltet ist,
• – eine Verdichteranlage, die den im Kreis zu fahrenden Abgasteilstrom aus dem Abhitzewärmetauscher absaugt und denselben nach der Verdichtung zur Aufnahme der Abhitze durch eine Heizfläche im Abhitzewärmetauscher und von dieser zum ersten Druckverbrennungsreaktor zurückfördert.
• Der vom kalten Ende des Abhitzewärmetauschers abgesaugte und zunächst genau der Summe der beiden Verbrennungsgasmengen entsprechende Abgasteilstrom wird nach maximaler Auftrocknung in bekannter Weise durch Verdichtung und Kondensation für qualitativ neue Entsorgungswege (Lithosphäre) verflüssigt.
• Beide Druckverbrennungsreaktoren sind mit Strahlungsheizflächen so ausgerüstet, damit neben der Energiezufuhr in den Abgaskreis zugleich Energieteilmengen in den Wasser-Dampf-Kreis eingebunden und somit beide Kreise gezielt im Bereich höchster Temperaturen miteinander gekoppelt werden. Eine weitere Verknüpfung beider Kreisläufe existiert im Abhitzewärmetauscher, in dem in einer Konvektionsheizfläche das Speisewasser bis nahe Sättigungstemperatur durch Kühlung des Abgases aufgewärmt wird.
• Bei Verwendung fester Brennstoffe wie beispielsweise gasreichen Braun- und Steinkohlen wird der eine der beiden und jeweils mit Strahlungsheizflächen versehenen Druckverbrennungsreaktoren mit Pyrolyse-Koks und der andere mit Pyrolyse-Rohgas als speziell dafür aufbereitete Brennstoffteilströme versorgt, wobei vor der Pyrolyse die Feuchte des Festbrennstoffes durch Auftrocknung maximal reduziert wird mit dem Ziel, auch die Feuchte der Verbrennungsgase auf das Maß der chemisch bedingten Zersetzung bei der Pyrolyse sowie der chemischen Umsetzung bei der Verbrennung beschränken zu können.
• Die erfindungsgemäße Lösung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigen:
• 1 das Grundschema der Kopplung des Wasser-Dampf-Kreislaufes mit dem Abgas-Kreislauf bei Einsatz gasförmiger oder flüssiger Brennstoffe,
• 2 die gekoppelten Kreisläufe mit vorgeschalteter Aufbereitung fester Brennstoffe.
• Der in einem Druckbereich von ca. 12 bis 25 bar betriebene Hauptdruckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktor 1 ist mit dem Brenner 1.1 ausgerüstet, der den zunächst nur gasförmigen oder auch flüssigen Brennstoffteilstrom 14.1 mit Sauerstoff 13.2 derselben Druckstufe verbrennt. Bereits bei der Verbrennung mischt sich das Verbrennungsgas mit dem zirkulierten Abgas 18.7 und erhöht dessen Temperatur durch den Austausch fühlbarer Wärmen. Parallel zum Verbrennungs- und Gasvermischungsprozeß wird der nach Abgabe fühlbarer Wärme ans zirkulierte Gas verbleibende durch Verbrennung freigesetzte Energieanteil innerhalb des Hauptdruckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktors 1 über die den Druckbehälter als Kühlschilde schützenden Strahlungsheizflächen 1.2 und 1.3 zur Frischdampferzeugung an den Wasser-Dampf-Kreis übertragen. Das Abgas 18.1 entspannt sich in der Gasturbine 3 auf einen Zwischendruck von ca. 3,5 bis 5 bar und leistet im Generator 10 einen ersten Teil technischer Arbeit. Das in der Gasturbine 3 entspannte Abgas 18.2 strömt zum Zwischendruckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktor 2, wo es zwischenüberhitzt wird infolge der Verbrennung des Brennstoffteilstromes 14.2 mit Sauerstoff 13.1 und der erneuten Übertragung von fühlbarer Wärme durch Vermischung des im Brenner 2.1 entstandenen Verbrennungsgases mit dem zirkuliertem Abgas 18.2. Wie der Hauptdruckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktor 1 besitzt auch der Zwischendruckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktor 2 als Kühlschilde fungierende Strahlungsheizflächen 2.2 und 2.3 , die den nach Abzug der vom zirkulierten Abgas 18.3 aufgenommenen fühlbaren Wärme verbliebenen Energieanteil zur zweifachen Zwischenüberhitzung des Dampfes vom Wasser-Dampf-Kreises an denselben übertragen. Das Abgas 18.3 strömt mit einer gasturbinenverträglichen Temperatur von ca. 1100 °C zur Gasturbine 4 , entspannt sich hier bis auf einen Druck von ca. 1 bar, leistet erneut im Generator 10 technische Arbeit und gelangt als Abgasstrom 18.4 zum Abhitzewärmetauscher 5. Nach Kühlung durch indirekte Wärmeübertragung über die Konvektionsheizfläche 5.1 an das zirkulierte und auf Drücke von ca. 12 bis 25 bar in den Verdichtern 6.1 und 6.2 wieder aufgeladene Abgas 18.6 strömt dieses als aufgewärmtes Abgas 18.7 erneut zum Hauptdruckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktor 1, wodurch der Abgas-Kreislauf in sich geschlossen ist. Das Abgas 18.4 kühlt über der Konvektionsheizfläche 5.2 durch Vorwärmung von Maschinenkondensat 19.1/Speisewasser 19.2 des Wasser-Dampf-Kreises bis auf eine Gastemperatur ab, die nur noch geringfügig über der Sättigungstemperatur der jeweiligen Abgasfeuchte liegt. letzt erfolgt über dem Strömungsteilquerschnitt 5.3 des Abhitzewärmetauschers 5 der Abzug des zur Zirkulation eingesetzten Abgasstromes 18.5, indem dieser mit dem Saugstutzen des Verdichters 6.1 verbunden ist. Aus dem grundsätzlich kleineren und regelbaren Strömungsquerschnitt 5.4 wird der den beiden Verbrennungsgasmengen direkt entsprechende kleinere Abgasstrom 18.8 separat durch den Verdichter 8.1 abgesaugt, im Kondensator 8.2 restliche Abgasfeuchte 15.2 niedergeschlagen, im Absorber 8.3 noch verbliebene geringste Wassergehalte chemisch eingebunden und danach das jetzt trockene, im wesentlichen aus CO₂ bestehende Abgas auf 60 bis 100 bar endverdichtet und durch Wärmeentzug 17.4 aus dem Kondensator 8.5 zur Entsorgungsmenge 16 verflüssigt.
• Noch im Abhitzewärmetauscher 5 wird unterhalb des Abströmteilquerschnittes 5.4 der Hauptanteil der Feuchte aus dem kontinuierlich auszuschleusenden Abgasteilstrom durch Abführung der Kondensationswärme 17.2 niedergeschlagen und als Flüssig-H₂O 15.1 zusammen mit neutralisierten Säuren abgezogen, sodaß der Abgasstrom 18.8 mit deutlich verringerter Feuchte entsteht.
• Die Zwischenkühlung 6.2 nach der Verdichterstufe 6.1 reduziert einerseits den Leistungsbedarf der Verdichterstufe 6.3 und ermöglicht andererseits ein zusätzliches Einkoppeln von aus dem Abgas-Kreis abzuführender Wärme in den Wasser-Dampf-Kreis. Der Wasser-Dampf-Kreis setzt sich zusammen aus den Strahlungsheizflächen 1.2 und 1.3 mit den Funktionen Verdampfer und Dampfüberhitzer, aus der Hochdruck-Dampfturbine 7.1, der Strahlungsheizfläche 2.2 als Dampfzwischenüberhitzer, der Mitteldruck-Dampfturbine 7.2, der Strahlungsheizfläche 2.3 zur weiteren Dampfzwischenüberhitzung, der Niederdruck-Dampfturbine 7.3, dem hier nicht näher bezeichneten Dampfturbinenkondensator mit der von dort abgeführten Abwärme 17.1, dem Maschinenkondensat 19.1, dem Speisewasser 19.2, der Speisewasser vorwärmenden Konvektivheizfläche 5.2 sowie der den Wasser-Dampf-Kreis schließenden Speisewasserleitung 19.3 . Die Dampfturbinen 7.1, 7.2 und 7.3 sind mechanisch wie die Gasturbinen 3 und 4 sowohl mit dem Generator 10 als auch mit den beiden Abgasverdichtern 6.1 und 6.2 verbunden.
• Der zur Verbrennung der beiden Brennstoffteilströme 14.1 und 14.2 eingesetzte Sauerstoff 13.1 und 13.2 wird in der kraftwerkseigenen Luftzerlegungsanlage 9.1 erzeugt und bereits mit dem an den Zwischendruck des Abgas-Kreises angepassten Druck von ca. 3,5 bis 5 bar in den Zwischendruckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktor 2 abgegeben. Allein der Sauerstoff Teilstrom 13.2 für den Brenner 1.1 wird vom Verdichter 9.2 auf den im Hauptdruckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktor 1 gefahrenen Abgasdruck von ca. 12 bis 25 bar angehoben.
• 2 zeigt die Anlagen einer speziellen Aufbereitung von gasreichen Festbrennstoffen wie vorzugsweise Braunkohlen und einige Steinkohlen, damit der in 1 gezeigte Verstromungsprozeß ohne gasförmige CO₂-Emission ebenfalls mit diesen festen Brennstoffen durchgeführt werden kann:
  Im indirekt beheizten und druckaufgeladenen Wirbelschicht-Trockner 20 wird die Feuchte des festen und in Körnungen von ca. 0 bis 4 mm vorliegenden Festbrennstoffes 14 bis auf einen minimalen Rest verdampft. Die Trockenkohle 25.2 gelangt ohne Zwischenkühlung und ohne Entspannung in einen ebenfalls druckaufgeladenen Wirbelschicht-Pyrolyse-Reaktor 21, dessen Druck an den im Zwischendruckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktor 2 herrschenden Zwischendruck des Abgas-Kreises von ca. 3,5 bis 5 bar angepasst ist, um das hier entstehende Pyrolyse-Rohgas 26.2 unmittelbar zum Brenner 2.1 des Druckverbrennungsreaktors 2 einspeisen zu können. Im Unterschied zur Darstellung laut 1 wird jedoch in diesem Falle der Brenner 1.1 innerhalb des Hauptdruckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktors 1 direkt mit dem nach wie vor festen Brennstoff Pyrolysekoks 26.1 betrieben, der allerdings wegen seiner Entstehung im Pyrolysereaktor 21 extrem reaktionsfreudig und dadurch dieser speziellen Verwendung überhaupt erst zugänglich ist. Zur Abtrennung der Aschepartikel 27 enthält hier allein der Hauptdruckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktor 1 vor Abgasaustritt eine Ebene aus parallel geschalteten Zyklonen, auf die jedoch in 2 nicht näher eingegangen wird. Dies gilt ebenso für die druckaufgeladene Verbrennung des Pyrolysekokses 26.1 mit radial verteilten Wirbelbrennern oder innerhalb einer stationären, ringförmig angeordneten Wirbelschicht, die in diesem Falle in den Hauptdruckverbrennungsreaktor 1 im Sinne des Brenners 1.1 integriert ist/sind.
• Den relativ geringen Energiebedarf des Pyrolysereaktors 21 deckt ein Wärmeverschiebesystem 23 ab, das mittels zusätzlicher Konvektionsheizfläche 5.3 im Abhitzewärmetauscher 5 einen entsprechenden Abhitze-Anteil im höchstgelegenen Temperaturbereich aufnimmt und zum Pyrolysereaktor 21 mittels Dampf oder anderem geeigneten Wärmeträger verschiebt.
• Der Energiebedarf des Trocknungsreaktors 20 wird durch Anzapfdampf 22 aus der Mitteldruck-Dampfturbine 7.2 bereitgestellt, der in der hier nicht näher beschriebenen Tauchheizfläche des Trocknungsreaktors 20 kondensiert. Der Trocknungsbrüden 25.1 wird zum Brüdenkondensator 24 geführt und hier durch Nutzung der Brüdenkondensationswärme das Maschinenkondensat 19.1 anteilig vorgewärmt.
• Vorteile des Verfahrens
• Auf raffiniert einfache Art erfüllt das erfindungsgemäße Verfahren ökologische und wirtschaftliche Ziele dadurch, dass brennstoffabhängig Bruttowirkungsgrade von 60 bis 70 % erreicht werden, sodaß trotz des erheblichen elektrischen Eigenbedarfes zur Durchführung des Verfahrens und damit zur Sicherung der Null-Emission von CO₂ der verbleibende Nettowirkungsgrad in Abhängigkeit vom gewählten Primärenergieträger immer noch 45 bis 55 %-Punkte beträgt bei gleichzeitiger Baubarkeit energiewirtschaftlich bedeutsamer (großer) Leistungseinheiten gegenüber den baubaren Leistungseinheiten der ebenfalls CO₂-emissionsfreien Windkraft- und Photovoltaikanlagen.
• Speziell für Braunkohle mit der bisher höchsten spezifischen CO₂-Emission (kg emittiertes CO₂ je abgegebener kWh) erschließt dieses erfindungsgemäße Verfahren das vergleichsweise größte Reduzierungspotential von CO₂-Emissionen.
• Dieses Verfahren ist vorzugsweise zur CO₂-emissionsfreien energetischen Verwertung fester Brennstoffe wie Braunkohlen geeignet, weil die beiden Druckverbrennungsreaktoren einen dafür geeignet aufbereiteten Brennstoff erhalten, weil die Strahlungsheizflächen im Vergleich zum Stand der Technik kleiner bauen und die Anordnung der beiden Druckverbrennungsreaktoren, der Gas- und Dampfturbinen und des Abhitzewärmetauschers kürzeste Rohrleitungen sowohl für den Abgaskreis als auch für den Wasser-Dampf-Kreis ermöglichen.
• Würde anstelle der erfindungsgemäßen Kaskade zur Brennstoffaufbereitung, bestehend aus Trocknung und Pyrolyse, der Brennstoff einer stofflichen Umwandlung durch Vergasung unterzogen und dieses Kohlegas gemäß Anspruch 1 energetisch verwertet, so könnten infolge der auf ca. 90 % begrenzten Kohlenstoff-Umsetzungsrate die o. g. Brutto- und Nettowirkungsgrade a priori nicht erreicht werden.
• Eine positive Nebenwirkung ergibt sich aus dem Anfall technologischer Wässer, der z.B. bei einem Braunkohlekraftwerk in der Größenordnung von 0,75 Liter Wasser je kg eingesetzter Rohkohle liegt bzw. bei einem 700 MW-Kraftwerk stündlich ca. 400 m³ Wasser beträgt. Ein weiteres Nebenprodukt dieses jegliche gasförmige CO₂-Emissionen vermeidenden Kraftwerksprozesses stellt der bei der Luftzerlegung anfallende Stickstoff dar. Beim zuvor genannten 700 MW-Kraftwerk sind das etwa 950000 kg N₂ stündlich, die zumindest anteilig zur Produktion von Düngemitteln als geeignet erscheinen oder auch grundsätzlich den Aufbau energotechnologischer Prozesse veranlassen.

1

Hauptdruckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktor

1.1

Brenner (für die Verbrennung im Hauptdruckbereich des Abgas-Kreises)

1.2

Strahlungsheizfläche (als Kühlschild durch Energieaufnahme zur Verdampfung)

1.3

Strahlungsheizfläche (als Kühlschild durch Energieaufnahme zur Dampfüberhitzung)

2

Zwischendruckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktor

2.1

Brenner (für die Verbrennung im Zwischendruckbereich des Abgas-Kreises)

2.2

Strahlungsheizfläche (als Kühlschild durch Energieaufnahme zur Dampfzwischenüberhitzung)

2.3

Strahlungsheizfläche (als Kühlschild durch Energieaufnahme zur Dampfzwischenüberhitzung)

3

Gasturbine (polytrope Abgasentspannung vom Hauptdruck auf Zwischendruck)

4

Gasturbine (polytrope Abgasentspannung vom Zwischendruck auf Enddruck)

5

Abhitzewärmetauscher

5.1

Konvektionsheizfläche (zur Vorwärmung des zirkulierten, auf Hauptdruck verdichteten Abgases)

5.2

Konvektionsheizfläche (zur Vorwärmung des Maschinenkondensates und Speisewassers)

5.3

größerer Abströmteilquerschnitt (mit Abzugshaube für zirkulierendes Abgas des Abgas-Kreises)

5.4

kleinerer Abströmteilquerschnitt (mit Kühlstrecke, Kondensatsammelbecken und Abzugsöffnung für auszuschleusenden Abgasteil)

6.1

Axialverdichter (zur Verdichtung des zirkulierten Abgases auf Zwischendruck)

6.2

Zwischenkühler

6.3

Axialverdichter (zur Verdichtung des zirkulierten Abgases auf Hauptdruck)

7.1

Hochdruck-Dampfturbine

7.2

Mitteldruck-Dampfturbine

7.3

Niederdruck-Dampfturbine

8.1

Verdichter

8.2

Gaskühler (mit Kondensatabzug)

8.3

Absorbtionsreaktor (für die chemische Einbindung der Restfeuchte des Ausschleus-Abgases mit Regeneration)

8.4

Hauptverdichter (für das praktisch trockene Ausschleus-Abgas))

8.5

Hauptkühler (zur Verflüssigung des verdichteten Ausschleus-Abgases

9.1

Luftzerlegungsanlage

9.2

Sauerstoff Verdichter

10

Generator

11

Ansaugluft

12

abgetrennter Stickstoff

13.1

Verbrennungssauerstoff (mit dem Druck gemäß Zwischendruck des Abgas-Kreises)

13.2

Verbrennungssauerstoff (mit dem Druck gemäß Hauptdruck des Abgas-Kreises)

14

Fester Brennstoff

14.1

Kohlenstoff haltiger Brennstoffteil (gasförmig oder flüssig, unter Hauptdruck)

14.2

Kohlenstoff haltiger Brennstoflieil(gasförmig oder flüssig, unter Zwischendruck)

15.1

Hauptkondensat aus Abgasfeuchte

15.2

Verdichtungs-Nachkühlkondensat (aus Abgasfeuchte)

15.3

Wasserdampf (aus chemisch absorbierter Abgas-Restfeuchte)

16

Flüssiges Kohlendioxid (unter Druck von ca. 60 bis 100 bar)

17.1

Abwärme aus dem Dampfturbinen-Kondensator

17.2

Abwärme aus der Kühlstrecke unterhalb des kleineren Abströmteilquerschnittes

17.3

Abwärme aus dem Nachkühler des Ausschleus-Abgases

17.4

Abwärme aus dem Trockenabgas-Verflüssiger/Kondensator

18.1

Abgasmischung aus zirkuliertem Abgas und Verbrennungsgas vom Brenner 1.1

18.2

auf Zwischendruck entspannte Abgasmischung

18.3

Abgasmischung aus zirkuliertem Abgas und Verbrennungsgasen der Brenner 1.1 und 2.1

18.4

auf ca.1 bar entspannte Abgasmischung aus zirkuliertem Abgas und Verbrennungsgasen

18.5

zirkuliertes Abgas

18.6

auf den Hauptdruck verdichtetes zirkuliertes Abgas

18.7

vorgewärmtes verdichtetes zirkuliertes Abgas

18.8

von der Hauptfeuchte befreites Ausschleus-Abgas

19.1

Maschinenkondensat des Wasser-Dampf-Kreises

19.2

Speisewasser des Wasser-Dampf-Kreises

19.3

bis nahe Sättigungstemperatur aufgewärmtes Speisewasser

20

Trocknungsreaktor (mit druckaufgeladener Dampfwirbelschicht)

21

Pyrolyse-Reaktor (mit druckaufgeladener Gaswirbelschicht

22

Anzapfdampf

23

Wärmeverschiebesystem

24

Brüdenkondensator

25.1

Trocknungsbrüden

25.2

getrockneter Festbrennstoff (Trockenkohle, Trockenbraunkohle)

26.1

Pyrolyse-Koks

26.2

Pyrolyse-Rohgas

27

abgetrennte Aschepartikel

Claims (6)

1. Das Verfahren zur Verstromung kohlenstoffhaltiger Energieträger ohne gasförmige CO₂-Emission durch Umwandlung der durch Verbrennung freigesetzten Wärme in Elektroenergie über je einen zwischengeschalteten Gas- und Dampfturbinenprozeß mit Abtrennung eines der Verbrennungsgasmenge entsprechenden Abgasstromes zur anschließenden Aufkonzentration, Verdichtung und Verflüssigung von CO₂ ohne oder auch im Gemisch mit SO₂ ist dadurch gekennzeichnet, dass der bezogene gasförmige oder flüssige Brennstoff in jeweils zwei Brennstoffteilströme (14.1) und (14.2) mit nur annähernd gleichen Energieinhalten aufgeteilt wird, dass diese beiden Brennstoffteile (14.1) und (14.2) in separaten, mit unterschiedlichen Drücken betriebenen Druckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktoren (1) und (2) und ausschließlich mit aus kraftwerkseigener Luftzerlegeanlage (9.1) stammenden Sauerstoff (13.1) und (13.2) verbrannt werden, dass die Reaktionsenergien jeweils an zwei sich thermodynamisch überlagernde Kreisprozesse übertragen werden, wobei der erste Kreisprozeß ein geschlossener Gasturbinenprozeß ist, dem in den beiden Druckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktoren (1) und (2) und – bezogen auf eine zirkulierende Gasmenge gleicher Zusammensetzung – wesentlich geringere Anteile Verbrennungsgase zugeführt und nach Abhitzenutzung aus einem Abgashauptkreis durch Absaugung aus dem kleineren der beiden Abströmteilquerschnitte (5.3),(5.4) des Abhitzewärmetauschers (5) wieder abgetrennt werden, und der zweite Kreisprozeß ein Dampftwbinenprozeß ist, dem Wärmeenergien über in die Druckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktoren (1) und (2) integrierten Strahlungsheizflächen (1.2), (1.3), (2.2), (2.3) und über die Konvektionsheizfläche (5.2) des Abhitzewärmetauschers (5) zugeführt werden, dass in dem Hauptdruckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktor (1) dem im Kreis zirkulierten Gasgemisch durch Mischung mit dem ersten Verbrennungsgasanteil am Brenner (1.1) Energie zugeführt und zugleich in den Strahlungsheizflächen (1.2) und (1.3) Speisewasser (19.3) des Dampfturbinenprozesses verdampft und überhitzt wird, dass in dem Zwischendruckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktor (2) dem im Kreis zirkulierten Gasgemisch erneut durch Mischung mit dem zweiten Verbrennungsgasanteil am Brenner (2.1) Energie zugeführt und zugleich in den Strahlungsheizflächen (2.2) und (2.3) mindestens zweifach Dampf des Dampfturbinenprozesses zwischenüberhitzt wird, dass der Abhitzehauptteil über die Konvektionsheizfläche (5.1) an das aus dem Abhitzewärmetauscher (5) über den größeren Abströmteilquerschnitt (5.3) abgesaugte, mittels Verdichter (6.1) und (6.3) verdichtete und somit im geschlossenen Kreis gefahrene Gasgemisch (18.6) abgegeben wird, bevor dieses zum Hauptdruckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktor (1) zurückströmt, dass genau eine der Verbrennung in beiden Druckverbrennungs- und Energieübertragungsreaktoren (1) und (2) entsprechende Abgasmenge zw Kondensation von Wasserdampfanteilen maximal gekühlt, aus dem Abhitzewärmetauscher (5) separat über den Abströmteilquerschnitt (5.4) abgesaugt und danach gemäß dem Stand der Technik zwischenverdichtet, zur weiteren Kondensation erneut gekühlt, mit Triäthylen-Glykol o. ä. zw Absorption von Restfeuchte behandelt, endverdichtet, gekühlt und letztlich als Flüssig-CO₂ (16) zur Entsorgung in Aquifere o. ä. geeignete poröse Gesteinsschichten der Lithosphäre bereitgestellt wird.
2. Das Verfahren nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung auch fester Brennstoffe (14) wie Stein- und vorzugsweise Braunkohlen (mit möglichst hohem Gehalt flüchtiger Bestandteile) die Aufteilung in zwei Brennstoffteilmengen mit etwa gleichgroßen Energieinhalten durch eine vorgeschaltete Brennstoffaufbereitung erfolgt, die zuerst eine Trocknung (20) und im unmittelbaren Anschluß eine Pyrolyse (21) beinhaltet, sodaß der Pyrolysekoks (26.1) als erster Brennstoffteil dem ersten Druckverbrennungsreaktor (1) beispielsweise über mehrere radial verteilte Wirbelbrenner oder über eine ringförmige, stationäre Wirbelschicht und das Pyrolysestarkgas (26.2) als zweiter Brennstoffteil zum zweiten Druckverbrennungsreaktor (2) zugeführt und gemäß Anspruch 1 energetisch verwertet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die zum Trocknen des festen Energieträgers benötigte Energie in Form von Dampfwärme (insbesondere Kondensationswärme) über Anzapfdampf (22) dem Wasser-Dampf-Kreis bzw. dem Dampftwbinenprozeß entnommen und die Energie des Trocknungsbrüdens (25.1) in denselben Prozeß über einen Brüdenkondensator (24) zurückgeführt bzw. eingekoppelt und dass die zw Pyrolyse benötigte Energie über ein Wärmeverschiebsystem (23) mittels Dampf oder anderem geeigneten Wärmeträgermedium bei der Abhitzeverwertung über Konvektionsheizfläche (5.3) des im geschlossenen Kreis gefahrenen Gasgemisches entnommen wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der in den Pyrolysereaktor (21) einzutragende getrocknete Brennstoff (25.2) sowie der in den Hauptdruckverbrennungsreaktor (1) einzutragende Pyrolysekoks (26.1) mit aus dem geschlossenen Gaskreis abgegriffenen Gasteilströmen pneumatisch in inerter Atmosphäre gefördert wird und somit die Geschlossenheit des Gaskreises erhalten bleibt (in 2 nicht dargestellt).
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsheizflächen (1.2), (1.3), (2.2), (2.3), die anteilig Wärme in den Wasser-Dampf-Kreis übertragen, gleichzeitig als Kühlschilde für die Druckbehälter der beiden Druckverbrennungsreaktoren (1) und (2) genutzt werden und dass in Verbindung mit diesen Strahlungsheizflächen (1.2), (1.3), (2.2), (2.3) die im Abgaskreis zirkulierte Abgasmenge (18.5) mittels durchsatzgeregelter Verdichter (6.1) und (6.3) auf den optimalen Wert im Interesse des maximalen Gesamtwirkungsgrades eingestellt wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass jeweils reaktorintern und somit im Trocknungsreaktor (20) der Brüden z.B. mit einem Gewebefilter von Trockenkohlepartikeln, im Pyrolysereaktor (21) das Pyrolysegas z.B. mit einem keramischen Filter von Pyrolysekokspartikeln und im ersten Druckverbrennungsreaktor das Gemisch aus Verbrennungs- und Kreislaufgas z.B. mit Zyklonen von Aschepartikeln gasturbinenverträglich bzw. brüdennutzungsverträglich entstaubt werden.