DE10330857A1

DE10330857A1 - Operating emission-free gas turbine power plant involves cooling compressed circulated gas in intermediate cooler and humidifying it in humidifying tower before feeding to combustion chamber

Info

Publication number: DE10330857A1
Application number: DE2003130857
Authority: DE
Inventors: Michael Bartlett; Timothy Dr. Griffin; Daniel Holmberg; Roland Prof. Dr. Span; Mats Prof. Dr. Westermark
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2004-02-12

Abstract

The method involves using the residual heat in expanded waste gas after the gas turbine (3) in a waste heat boiler and cooling the compressed circulated gas in an intermediate cooler (47) and humidifying it in a humidifying tower (46) before feeding it into a combustion chamber (2). The waste heat arising in the intermediate cooler is used for humidification in the humidifying tower. AN Independent claim is also included for an arrangement for implementing the inventive method.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL TERRITORY

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer Kraftwerksanlage mit einem halb-geschlossenen CO₂-Prozess, wobei wenigstens ein Kompressor angeordnet ist, von welchem Umlaufgas komprimiert wird, dieses komprimierte Umlaufgas nach Passieren einer Brennkammer einer Gasturbine zugeführt wird, und wobei ein Abhitzekessel angeordnet ist, in welchem die in den entspannten Abgasen enthaltene Restwärme hinter der Gasturbine genutzt wird.The present invention relates to a method and a device for operating a power plant with a semi-closed CO ₂ process, wherein at least one compressor is arranged, by which recycle gas is compressed, this compressed recycle gas is fed to a gas turbine after passing through a combustion chamber, and wherein a waste heat boiler is arranged, in which the residual heat contained in the relaxed exhaust gases is used behind the gas turbine.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Im Rahmen der allgemeinen Bestrebungen, Kraftwerke zu entwickeln, welche eine möglichst geringe Umweltbelastung darstellen, gibt es eine Vielzahl von verschiedenen Projekten, deren Ziel die Entwicklung emissionsfreier Gasturbinenkraftwerke mit einem halb geschlossenen CO₂/H₂O Kreislauf ist. Der Einsatz emissionsfreier Gasturbinenkraftwerke wird heute insbesondere im Bereich der Öl- und Gasindustrie erwogen, da das separierte Kohlendioxid dort in grossem Umfang verwendet werden kann (Enhanced Oil Recovery, EOR) und zum Teil bereits empfindliche Steuern für emittiertes Kohlendioxid gezahlt werden müssen.As part of the general efforts to develop power plants that represent the lowest possible environmental impact, there are a variety of different projects, the goal of which is the development of emission-free gas turbine power plants with a semi-closed CO ₂ / H ₂ O cycle. The use of emission-free gas turbine power plants is currently being considered in the oil and gas industry in particular, since the separated carbon dioxide can be used there to a large extent (enhanced oil recovery, EOR) and, in some cases, sensitive taxes for emitted carbon dioxide have to be paid.

Dabei wird das meist als Brennstoff verwendete Erdgas mit möglichst reinem Sauerstoff verbrannt. Der reine Sauerstoff wird dazu aus einer Luftzerlegungsanlage zur Verfügung gestellt. Alternativ ist es möglich, mit so genannten Membranreaktoren zur Oxidation des Brennstoffs zu arbeiten, wie sie z. B. in der WO 98/55208 und der WO 98/55394 beschrieben sind. Unter diesen Umständen entstehen Verbrennungsgase, die praktisch nur aus Kohlendioxid und Wasser bestehen. Kondensiert man das Wasser aus dem Arbeitsmedium aus, so erhält man weitgehend reines Kohlendioxid, das durch Kompression verflüssigt und auf unterschiedliche Art und Weise verwendet oder entsorgt werden kann.This is mostly used as fuel used natural gas with as much as possible pure oxygen burned. The pure oxygen is used for this an air separation plant. Alternative is it possible with so-called membrane reactors for the oxidation of the fuel to work as they B. in WO 98/55208 and WO 98/55394 are described. Under these circumstances, combustion gases are generated which practically consist only of carbon dioxide and water. Condensed if you remove the water from the working medium, you get largely pure carbon dioxide, that liquefies through compression and used or disposed of in different ways can.

Zur Nutzung der hohen Temperaturen am Turbinenaustritt wird i.d.R. ein Dampferzeuger vorgesehen, wobei der entstehende Dampf benutzt wird, um eine Kondensationsturbine anzutreiben (bottoming steam turbine). Da die Turbinenaustrittstemperatur bei üblichen Druckverhältnissen für CO₂/H₂O-Gemische niedriger ist als bei konventionellen Gasturbinen, wenn der Prozess für Kohlendioxid optimal eingestellt ist, liefert der Dampfkreislauf bei derartigen Systemen nicht die gleiche Leistung wie bei konventioneller Fahrweise.In order to use the high temperatures at the turbine outlet, a steam generator is usually provided, the steam generated being used to drive a condensation turbine (bottoming steam turbine). Since the turbine outlet temperature is lower under conventional pressure ratios for CO ₂ / H ₂ O mixtures than with conventional gas turbines, if the process for carbon dioxide is optimally set, the steam cycle in such systems does not provide the same performance as in conventional driving.

Alternativ kann der erzeugte Dampf in einer Gegendruckturbine vorentspannt werden (topping steam turbine), um dann vor, in, oder hinter der Brennkammer mit dem Arbeitsmedium der Gasturbine vermischt zu werden. Der eingespritzte Dampf kann dann nach Durchströmen des Abhitzekessels zusammen mit dem durch die Verbrennung entstandenen Wasser auskondensiert werden. Beide Konzepte werden im Patent EP 0 731 255 A1 detailliert beschrieben.Alternatively, the generated steam can be pre-expanded in a counter-pressure turbine (topping steam turbine) in order to then be mixed with the working medium of the gas turbine before, in or behind the combustion chamber. The injected steam can then be condensed out together with the water generated by the combustion after flowing through the waste heat boiler. Both concepts are patented EP 0 731 255 A1 described in detail.

Die EP 0 939 199 A1 beschreibt eine Anlage, bei welcher angegeben wird, wie bei einem halb geschlossenen Gasturbinen-Zyklus eine Mischung aus Wasser und Kohlendioxid als Arbeitsmedium verwendet wird. Dabei wird unter anderem Wasser in den Verdichter, in die Brennkammer sowie in die Gasturbine eingespritzt. Die WO 99/63210 beschreibt ihrerseits einen halb geschlossenen kombinierten Zyklus, bei welchem ein stöchiometrisches Gemisch aus Wasser und Kohlendioxid als Arbeitsmedium genutzt wird.The EP 0 939 199 A1 describes a plant in which it is specified how a mixture of water and carbon dioxide is used as the working medium in a semi-closed gas turbine cycle. Among other things, water is injected into the compressor, the combustion chamber and the gas turbine. WO 99/63210 in turn describes a semi-closed combined cycle in which a stoichiometric mixture of water and carbon dioxide is used as the working medium.

Problematisch an derartigen Kohlendioxid-Zyklen ist unter anderem, dass die für konventionellen Gebrauch (d. h. normale Verbrennung unter Abgabe von Kohlendioxid an die Atmosphäre) ausgelegten Komponenten für die Verwendung in einem halb geschlossenen Kohlendioxid-Zyklus meist nicht optimal ausgelegt sind. Entsprechend kann es vorkommen, dass sich z. B. der bei Verwendung einer bottoming steam turbine oder einer topping steam turbine erwartete erhöhte Wirkungsgrad respektive die zusätzliche Leistung nicht in dem Masse realisieren lässt wie gewünscht, und entsprechend auch mit der zusätzlichen Beschaffung von Dampfturbinen verbundene Investitionen nicht gerechtfertigt sind. So ist z. B. aufgrund der niedrigeren Austrittstemperatur der Gasturbine die Verwendung von Dampferzeugern mit 2-Druck Systemen zwingend. Derartige Systeme sind aber teuer, was in Kombination mit der ohnehin teuren Luftzerlegungsanlage die Investitionskosten für derartige Anlagen über die Massen erhöht. Der Wirkungsgrad wird zudem dadurch erniedrigt, dass die Wärme, welche bei der Abführung von Kohlendioxid und Wasser aus dem Umlaufstrom aus dem System entfernt wird, nicht nutzbringend eingesetzt werden kann. Überhaupt fällt im Rahmen von derartigen Anlagen vergleichsweise viel Niedrigtemperatur-Wärme an, welche nicht optimal eingesetzt wird.The problem with such carbon dioxide cycles is among other things that for conventional use (i.e. normal combustion under supply from carbon dioxide to the atmosphere) designed components for mostly used in a semi-closed carbon dioxide cycle are not optimally designed. Accordingly, it can happen that z. B. when using a bottoming steam turbine or a topping steam turbine expected increased efficiency or additional Performance can not be realized to the extent required and accordingly with the additional Procurement of steam turbine related investments not justified are. So z. B. due to the lower outlet temperature Gas turbine the use of steam generators with 2-pressure systems mandatory. Such systems are expensive, however, what in combination with the already expensive air separation plant the investment costs for such Attachments about the masses increased. The Efficiency is also reduced by the fact that the heat at the exhaustion of carbon dioxide and water from the recycle stream removed from the system cannot be used to advantage. Ever falls in In the context of such systems, a comparatively large amount of low-temperature heat which is not used optimally.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION THE INVENTION

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren respektive eine Vorrichtung zum Betrieb einer Kraftwerksanlage mit einem halb-geschlossenen CO₂-Prozess zur Verfügung zu stellen, welcher einfach ist und für dessen Realisierung keine hohen Investitionskosten erforderlich sind, dessen Wirkungsgrad aber nach wie vor vertretbar ist. Dabei ist wenigstens ein Kompressor angeordnet, von welchem Umlaufgas komprimiert wird, dieses komprimierte Umlaufgas wird nach Passieren einer Brennkammer einer Gasturbine zugeführt, und stromab der Gasturbine ist ein Abhitzekessel angeordnet, in welchem die in den entspannten Abgasen enthaltene Restwärme genutzt wird.It is therefore an object of the present invention to provide a method or a device for operating a power plant with a semi-closed CO ₂ process which is simple and does not require high investment costs for its implementation, but its efficiency is still as before is justifiable. At least one compressor is arranged, by means of which recycle gas is compressed; this compressed recycle gas becomes after passing through a burner Chamber fed a gas turbine, and downstream of the gas turbine is a waste heat boiler, in which the residual heat contained in the relaxed exhaust gases is used.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das komprimierte Umlaufgas vor der Einleitung in die Brennkammer in einem Zwischenkühler abgekühlt wird und anschliessend vor Einleitung in die Brennkammer in einem Befeuchtungsturm befeuchtet wird.According to the invention, this object solved, that the compressed recycle gas before being introduced into the combustion chamber in an intercooler chilled and then before being introduced into the combustion chamber in one Humidification tower is humidified.

Der Kern der Erfindung besteht somit darin, durch eine möglichst energetisch optimierte Sättigung des Umlaufgases mit Wasser vor dessen Einleitung in die Brennkammer den Massenstrom durch die Gasturbine möglichst zu vergrössern und dadurch die Leistung zu erhöhen. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad ohne grosse konstruktive Änderungen und Zusatzinvestitionen (keine weiteren Dampfturbinen erforderlich) erhöht werden. Die erforderlichen Komponenten (Abhitzekessel, Zwischenkühler, Befeuchtungsturm) sind vergleichsweise kostengünstig und können insbesondere auch ohne grossen Aufwand an die bei Betrieb mit Kohlendioxid/Wasser veränderten Betriebsbedingungen angepasst werden.The essence of the invention is thus in it by one if possible energetically optimized saturation of the recycle gas with water before it is introduced into the combustion chamber to increase the mass flow through the gas turbine as much as possible and thereby increasing performance. In this way, the efficiency can be changed without major design changes and additional investments (no further steam turbines required) elevated become. The necessary components (waste heat boiler, intercooler, humidification tower) are comparatively inexpensive and can especially without much effort when operating with carbon dioxide / water changed Operating conditions to be adjusted.

Im Zusammenhang mit den verwendeten Begriffen muss darauf hingewiesen werden, dass unter einem Abhitzekessel grundsätzlich ein Mittel verstanden werden soll, mit welchem die stromab der Gasturbine verfügbare Abwärme genutzt werden kann. Dies kann dabei zum Zweck der Gewinnung von Warmwasser erfolgen, wobei Warmwasser entweder im Gasturbinenprozess selber Wiederverwendung finden kann oder aber auch in einem separaten Verwendungszweck (zum Beispiel Prozesswärme für chemische Anlage). Unter einem Zwischenkühler ist grundsätzlich ein Mittel zu verstehen, welches dazu verwendet werden kann, die Temperatur des Umlaufgases zu reduzieren. Als Befeuchtungsturm ist ein Mittel zu verstehen, welches in der Lage ist, die Umlaufgase durch Verdunstung mit Wasser zu versorgen. Es können dabei unterschiedliche Bauweisen wie z. B. Füllkörperkolonnen, d.h. Türme mit darin angeordneten Füllkörpern, in welchen im Gegenstromprinzip Wasser von oben nach unten rieselt und die Gase von unten nach oben geführt werden, verwendet werden, und typischerweise wird das Umlaufgas im Befeuchtungsturm auf eine relative Feuchtigkeit von im Bereich von 10 bis 20 Massen% gebracht. Die Befeuchtung ebenso wie die Zwischenkühlung kann u.U. auch in einem zwei- oder mehrstufigen Prozess (z.B. über nacheinandergeschaltete Zwischenkühler respektive Befeuchtungstürme) befeuchtet werden. Da der Befeuchtungsprozess in diesem Fall näher beim Gleichgewicht geführt wird, kann eine höhere Effizienz, d. h. ein besserer Wirkungsgrad erreicht werden.In connection with the terms used It must be pointed out that under a waste heat boiler there is always a Means to be understood with which the downstream of the gas turbine available waste heat can be used. This can be done for the purpose of extracting Hot water take place, with hot water either in the gas turbine process can be reused yourself or in a separate use (for example process heat for chemical Investment). Under an intercooler is fundamental to understand a means that can be used to Reduce circulating gas temperature. As a humidification tower to understand a means that is capable of circulating gases to be supplied with water by evaporation. It can be different Construction methods such as B. packed columns, i.e. towers with packing elements arranged therein, in which water flows from top to bottom in the counterflow principle and the gases are led from the bottom up, are used and typically the recycle gas in the humidification tower is set to one relative humidity brought in the range of 10 to 20 mass%. The humidification as well as the intermediate cooling can possibly also in one two- or multi-stage process (e.g. via sequential Intercooler respectively Befeuchtungstürme) be moistened. Because the humidification process in this case is closer to Balance higher efficiency, d. H. better efficiency can be achieved.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die im Zwischenkühler anfallende Abwärme für die Befeuchtung im Befeuchtungsturm verwendet wird. So kann die für die Befeuchtung erforderliche Enthalpie in effizienter Weise aus dem Zwischenkühler bezogen werden. Insbesondere bevorzugt wird dabei im Zwischenkühler Prozesswasser erwärmt, und dieses heisse Prozesswasser im Befeuchtungsturm zur Befeuchtung verwendet. Dabei kann dieses Prozesswasser insbesondere bevorzugt bei Einleitung in den Befeuchtungsturm eine Temperatur von im Bereich von 150 bis 250 Grad Celsius aufweist bei einem Druck, welcher dem Eintrittsdruck der Gasturbine entspricht, d.h. z.B. im Bereich von 10 bis 35 bar. Als im Zwischenkühler verwendetes Prozesswasser kann aus dem Umlaufgas auskondensiertes Wasser und/oder vorgewärmtes Prozesswasser aus einer Luftzerlegungsanlage, und/oder vorgewärmtes Prozesswasser aus einer Einheit zur Entfernung von Kohlendioxid und/oder Wasser, und/oder vorgewärmtes Prozesswasser, welches wenigstens mittelbar bei einem Kondensator für die Umlaufgase anfällt, und/oder Restwasser aus dem Zwischenkühler, verwendet werden. Die Verwendung von bereits im Zyklus zur Verfügung stehendem Wasser weist den grossen Vorteil auf, dass so die Reinigung des Wassers vereinfacht wird im Vergleich mit einem Durchlauf des Wassers. Ansonsten ist es nämlich bei der Einspritzung von Wasser meist erforderlich, dieses entweder mit Zusätzen zu versehen um Ablagerungen zu verhindern, oder aber deionisiertes Wasser zu verwenden. Dies ist mit erheblichen Kosten verbunden und kann so vermieden werden.A first preferred embodiment The present invention is characterized in that the im intercooler waste heat generated for the Humidification is used in the humidification tower. So can be used for humidification required enthalpy efficiently obtained from the intercooler become. Process water in the intercooler is particularly preferred warmed, and this hot process water in the humidification tower for humidification used. This process water can be particularly preferred when entering the humidification tower a temperature of in the range from 150 to 250 degrees Celsius at a pressure which corresponds to that Corresponds to the inlet pressure of the gas turbine, i.e. e.g. In the range of 10 to 35 bar. As in the intercooler Process water used can condense out of the circulating gas Water and / or preheated Process water from an air separation plant, and / or preheated process water from a unit for removing carbon dioxide and / or water, and / or preheated Process water, which is at least indirectly with a condenser for the Recycle gases and / or residual water from the intercooler can be used. The Use of water already available in the cycle indicates the great advantage that it makes cleaning the water easier is compared to a run of water. Otherwise it is namely it when injecting water mostly required this either with additives provided to prevent deposits, or deionized To use water. This is associated with considerable costs can be avoided in this way.

Gemäss einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Befeuchtung des Umlaufgases im Befeuchtungsturm Wasser verwendet, welches im Abhitzekessel vorgewärmt wurde, wobei diese Vorwärmung bevorzugt stufenweise zunächst in einem Economizer 26 und dann einem Wassererhitzer 31 erfolgt, und wobei dieses Wasser insbesondere bevorzugt bei Einleitung in den Befeuchtungsturm eine Temperatur von im Bereich von 150 bis 250 Grad Celsius aufweist bei einem Druck, welcher dem Eintrittsdruck der Gasturbine entspricht, d.h. z.B. im Bereich von 10 bis 35 bar. In dieser Ausführungsform wird also die im Abhitzekessel anfallende Wärme dazu genutzt, die für die Befeuchtung erforderliche Enthalpie bereitzustellen. Insbesondere in Kombination mit Prozesswasser, welches bereits im Zwischenkühler erwärmt wurde, kann so ein sehr effizienter Prozess mit hohem Wirkungsgrad sichergestellt werden. Auch hier, wie bereits weiter oben erwähnt, erweist es sich in Bezug auf Ablagerungen als vorteilhaft, im wesentlichen ausschliesslich aus dem Umlaufgas auskondensiertes Wasser für die Befeuchtung im Befeuchtungsturm zu verwenden.According to another preferred embodiment of the invention, water which has been preheated in the waste heat boiler is used to humidify the circulating gas in the humidification tower, this preheating preferably initially being carried out gradually in an economizer 26 and then a water heater 31 takes place, and this water, particularly preferably when introduced into the humidification tower, has a temperature in the range from 150 to 250 degrees Celsius at a pressure which corresponds to the inlet pressure of the gas turbine, ie, for example in the range from 10 to 35 bar. In this embodiment, the heat generated in the waste heat boiler is used to provide the enthalpy required for humidification. In particular in combination with process water, which has already been heated in the intercooler, a very efficient process with high efficiency can be ensured. Here, too, as already mentioned above, it proves to be advantageous with regard to deposits to use essentially only water condensed out of the circulating gas for the humidification in the humidification tower.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das befeuchtete Umlaufgas stromab des Befeuchtungsturms im Abhitzekessel, bevorzugt in einer Überhitzerstufe, vor Einleitung in die Brennkammer weiter erhitzt wird, wobei das Umlaufgas nach der Überhitzung insbesondere bevorzugt eine Temperatur von im Bereich von 500 bis 650 Grad Celsius aufweist bei einem Druck, welcher dem Eintrittsdruck der Gasturbine entspricht, d.h. z.B. im Bereich von 10 bis 35 bar. Die Temperatur liegt dabei vorzugsweise nahe bei der Turbinenaustrittstemperatur. Dieses "Reheating" in einer Überhitzerstufe kann dazu verwendet werden, den Wirkungsgrad weiter zu verbessern.A further preferred embodiment is characterized in that the humidified circulating gas downstream of the humidification tower in the waste heat boiler, preferably in a superheater stage, is further heated before being introduced into the combustion chamber, the circulating gas in particular after the overheating preferably has a temperature in the range from 500 to 650 degrees Celsius at a pressure which corresponds to the inlet pressure of the gas turbine, ie for example in the range from 10 to 35 bar. The temperature is preferably close to the turbine outlet temperature. This "reheating" in a superheater stage can be used to further improve the efficiency.

Gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird stromab des Zwischenkühlers und vor dem Befeuchtungsturm ein Teilstrom der komprimierten Umlaufgase abgezweigt und einer Einheit zugeführt, in welcher Kohlendioxid und/oder Wasser aus dem Umlaufgas entfernt werden. Dadurch, dass diese Abzweigung hinter dem Zwischenkühler erfolgt, kann die durch die Abzweigung in die Einheit zur Separation von Kohlendioxid und Wasser verloren gehende Wärme stark reduziert werden. Dabei macht bevorzugt dieser Teilstrom weniger als 20%, insbesondere bevorzugt weniger als 15% des gesamten Umlaufstroms aus.According to another embodiment The invention is downstream of the intercooler and before the humidification tower a partial flow of the compressed circulating gases is branched off and one Unit fed, in which carbon dioxide and / or water is removed from the recycle gas become. The fact that this branch takes place behind the intercooler by branching off into the carbon dioxide separation unit and water lost heat be greatly reduced. This partial stream preferably makes less than 20%, particularly preferably less than 15% of the total circulating current out.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduktion der Kompressionsarbeit ausserdem das Umlaufgas in einem Intercooler oder durch Wassereinspritzung abgekühlt wird, wobei insbesondere bevorzugt bei Verwendung eines Intercoolers die dabei anfallende Abwärme wenigstens mittelbar zur Befeuchtung im Befeuchtungsturm eingesetzt wird.Another preferred embodiment is characterized in that to reduce the compression work also the recycle gas in an intercooler or by water injection chilled is, with particular preference when using an intercooler the resulting waste heat used at least indirectly for humidification in the humidification tower becomes.

Grundsätzlich kommen für die Bereitstellung von reinem Sauerstoff unterschiedliche Verfahren in Frage. Normalerweise wird der in der Brennkammer verwendete Sauerstoff in einer separaten Luftzerlegungsanlage bereitgestellt. Es kann sich bei der Luftzerlegungsanlage um eine kryogene, eine absorptive oder eine Membran-basierte Luftzerlegungsanlage handeln. Alternativ kann aber auch der in der Brennkammer verwendete Sauerstoff in einem integrierten Membranmodul zur Verfügung gestellt werden.Basically come for the provision of pure oxygen different processes in question. Usually the oxygen used in the combustion chamber is separated Air separation plant provided. It can be at the air separation plant be a cryogenic, an absorptive or a membrane-based air separation plant. Alternatively, the oxygen used in the combustion chamber can also be used be made available in an integrated membrane module.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.Further preferred embodiments of the invention Procedures are in the dependent claims described.

Ausserdem betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens, wie es oben beschrieben wurde. Dabei umfasst die Vorrichtung einen halbgeschlossenen CO₂-Prozess, wobei wenigstens ein Kompressor angeordnet ist, von welchem Umlaufgas komprimiert wird, dieses komprimierte Umlaufgas nach Passieren einer Brennkammer einer Gasturbine zugeführt wird, und wobei ein Abhitzekessel angeordnet ist, in welchem die in den entspannten Abgasen enthaltene Restwärme hinter der Gasturbine zur Erzeugung von heissem Wasser und/oder zur Erhitzung von komprimierter Luft genutzt wird. Insbesondere ist ein Zwischenkühler angeordnet, in welchem das komprimierte Umlaufgas vor der Einleitung in die Brennkammer abgekühlt wird. Zudem ist ein Befeuchtungsturm angeordnet, in welchem das abgekühlte komprimierte Umlaufgas vor Einleitung in die Brennkammer befeuchtet wird.In addition, the present invention relates to an apparatus for performing a method as described above. The device comprises a semi-closed CO ₂ process, at least one compressor being arranged, by means of which recycle gas is compressed, this compressed recycle gas is fed to a gas turbine after passing through a combustion chamber, and a waste heat boiler is arranged, in which the gases in the expanded exhaust gases are disposed Residual heat contained behind the gas turbine is used to generate hot water and / or to heat compressed air. In particular, an intercooler is arranged in which the compressed recycle gas is cooled before being introduced into the combustion chamber. In addition, a humidification tower is arranged, in which the cooled compressed recycle gas is humidified before being introduced into the combustion chamber.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.Further preferred embodiments the inventive Device are in the dependent claims described.

KURZE ERLÄUTERUNG DER ERFINDUNGSHORT EXPLANATION THE INVENTION

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:The invention is based on the following of embodiments are explained in more detail in connection with the figures. Show it:

1 ein Schema eines emissionsfreien Gasturbinenkraftwerkes mit bottoming steam turbine nach dem bekannten Stand der Technik; 1 a schematic of an emission-free gas turbine power plant with bottoming steam turbine according to the known prior art;

2 ein Schema eines emissionsfreien Gasturbinenkraftwerkes mit topping steam turbine nach dem bekannten Stand der Technik und 2 a scheme of an emission-free gas turbine power plant with topping steam turbine according to the known prior art and

3a) ein Schema eines erfindungsgemässen emissionsfreien Gasturbinenkraftwerkes; 3b) einen Ausschnitt aus dem Schema gemäß 3a), bei welchem der Befeuchtungsturm und der Zwischenkühler zweistufig ausgebildet sind. 3a ) a diagram of an emission-free gas turbine power plant according to the invention; 3b ) a section of the scheme according to 3a ), in which the humidification tower and the intercooler are designed in two stages.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS TO EXECUTE THE INVENTION

1 zeigt als bekannter Stand der Technik eine schematische Darstellung einer halb geschlossenen Gasturbinenanlage mit Abhitzekessel 4 und Dampfturbine 10. Die Anlage verfügt über einen Verdichter 1, der das Arbeitsmedium (Umlaufgas) komprimiert. Das komprimierte Umlaufgas 48 wird anschliessend in eine Brennkammer 2 geführt, dort wird Brennstoff verbrannt und die heissen Umlaufgase anschliessend in einer Turbine 3 entspannt und die erzeugte mechanische Energie mit einem Generator 8 zur Erzeugung von elektrische Energie verwendet. Der Brennstoff wird über eine Brennstoffleitung 20 zugeführt. Als Oxidationsmittel findet im wesentlichen reiner Sauerstoff Anwendung, welcher in einer Luftzerlegungsanlage 9 verfügbar gemacht und über eine Leitung 21 zugeführt wird. Bei der Luftzerlegungsanlage 9 kann es sich um eine Anlage nach dem Stand der Technik handeln. So kommen z. B. Verfahren wie kryogene Separation, pressure swing absorption (PSA) in Frage, es ist aber auch möglich an Stelle einer separaten Luftzerlegungsanlage 9 einen integrierten Membranreaktor zu verwenden. Die Luftzerlegungsanlage 9 wird über eine Leitung 34 mit Frischluft versorgt und verfügt in der Regel unter anderem über wenigstens einen Kühler 12, bei welchem Abwärme erzeugt wird, welche üblicherweise von geringem Wert (niedrige Temperatur) ist. 1 shows as a known prior art a schematic representation of a semi-closed gas turbine system with waste heat boiler 4 and steam turbine 10 , The system has a compressor 1 , which compresses the working medium (circulating gas). The compressed recycle gas 48 is then in a combustion chamber 2 led, fuel is burned there and the hot circulating gases then in a turbine 3 relaxes and the generated mechanical energy with a generator 8th used to generate electrical energy. The fuel is fed through a fuel line 20 fed. Essentially pure oxygen is used as the oxidizing agent, which is used in an air separation plant 9 made available and via a line 21 is fed. At the air separation plant 9 can be a system according to the state of the art. So come z. B. Methods such as cryogenic separation, pressure swing absorption (PSA) in question, but it is also possible instead of a separate air separation plant 9 to use an integrated membrane reactor. The air separation plant 9 is over a line 34 supplied with fresh air and usually has, among other things, at least one cooler 12 , at which waste heat is generated, which is usually of low value (low temperature).

Die heissen Abgase der Gasturbine 3 werden über eine Leitung 23 einem Abhitzekessel 4 zugeführt, wo die in den Abgasen enthaltene Restwärme genutzt wird. Im Gegenlaufprinzip wird in diesem Abhitzekessel 4 Wasser zunächst in einem Economizer 26 erwärmt, anschliessend in einem Verdampfer 28 unter Zuhilfenahme einer Dampftrommel 27 verdampft und zuletzt in einem Überhitzer 29 weiter erhitzt. Der Wasserkreislauf wird dabei von einer Pumpe 25 angetrieben und in einem Speisewasserbehälter 24 wird das Prozesswasser bereitgehalten respektive ggf. entgast. Das im Abhitzekessel 4 erhitzte, dampfförmige Wasser wird anschliessend einer Kondensationsdampfturbine 10 zugeführt, und in dieser entspannt. Dabei wird ein Generator 11 angetrieben. Hinter der Dampfturbine 10 wird der Dampf einem Kondensator 30 zugeführt, und das kondensierte Prozesswasser über eine Pumpe 31 wiederum in den Speisewasserbehälter 24 gefördert.The hot exhaust gases from the gas turbine 3 are on a line 23 a waste heat boiler 4 fed where the residual heat contained in the exhaust gases is used. In the counter-rotating principle in this waste heat boiler 4 Water first in an economizer 26 warmed, then in an evaporator 28 with the help of a steam drum 27 ver steams and finally in a superheater 29 heated further. The water circuit is powered by a pump 25 powered and in a feed water tank 24 the process water is kept ready or, if necessary, degassed. That in the waste heat boiler 4 heated, vaporous water is then a condensing steam turbine 10 fed, and relaxed in this. Thereby a generator 11 driven. Behind the steam turbine 10 the steam becomes a condenser 30 fed, and the condensed process water via a pump 31 again in the feed water tank 24 promoted.

Der im Abhitzekessel 4 abgekühlte Umlaufgas-Strom wird hinter dem Abhitzekessel 4 einen Kühler oder Kondensator 5 zugeführt. Beim Umlaufgas handelt es sich im wesentlichen um ein Gemisch von Kohlendioxid und Wasser, das heisst es besteht aus einem Gemisch der Reaktionsprodukte der Verbrennung von z. B. Erdgas mit Sauerstoff. Entsprechend kondensiert im Kondensator 5 Wasser aus, und dieses wird über eine Abführleitung 33 abgeführt. Das Umlaufgas wird hinter dem Kondensator 5 wiederum dem Verdichter 1 zugeführt.The one in the waste heat boiler 4 cooled circulating gas flow is behind the waste heat boiler 4 a cooler or condenser 5 fed. The circulating gas is essentially a mixture of carbon dioxide and water, that is, it consists of a mixture of the reaction products of the combustion of e.g. B. natural gas with oxygen. Correspondingly condenses in the condenser 5 Water out, and this is through a drain line 33 dissipated. The circulating gas is behind the condenser 5 again the compressor 1 fed.

Eine Teil 49 des komprimierten Umlaufgases 48 wird hinter dem Verdichter 1 über eine Leitung einer Einheit zugeführt, in welcher sowohl Wasser als auch Kohlendioxid aus dem System entfernt wird. Diese Einheit verfügt über einen ersten Kühler 7a, bei welchem im wesentlichen Wasser auskondensiert wird. Dieses Wasser wird über die Leitung 33 aus dem System entfernt. Hinter dem ersten Kühler 7a wird dieser Anteil des Umlaufgases in einem Kompressor 6 weiter verdichtet und in einem zweiten Kühler 7b wird anschliessend nochmals Wasser auskondensiert sowie aber auch Kohlendioxid, welches über eine Leitung 32 aus dem System entfernt wird. Das Kohlendioxid kann anschliessend fachgerecht entsorgt werden.Part 49 of the compressed recycle gas 48 is behind the compressor 1 fed via a line to a unit in which both water and carbon dioxide are removed from the system. This unit has a first cooler 7a , in which essentially water is condensed out. This water is piped 33 removed from the system. Behind the first cooler 7a this proportion of the recycle gas in a compressor 6 further compressed and in a second cooler 7b water is then condensed out again, but also carbon dioxide, which is fed via a line 32 is removed from the system. The carbon dioxide can then be disposed of properly.

Bei der in 1 dargestellten Anlage handelt es sich um einen halb geschlossenen, emissionsfreien kombinierten Kreislauf mit Gasturbine, Abhitzekessel und Dampfturbine. Die Dampfturbine wird dabei üblicherweise als bottoming steam turbine bezeichnet. Die in den heissen Abgasen der Gasturbine enthaltene Abwärme wird im Abhitzekessel zur Erzeugung von Dampf für die Dampfturbine genutzt.At the in 1 shown system is a semi-closed, emission-free combined circuit with gas turbine, waste heat boiler and steam turbine. The steam turbine is usually referred to as a bottoming steam turbine. The waste heat contained in the hot exhaust gases from the gas turbine is used in the waste heat boiler to generate steam for the steam turbine.

Nachteilig ist bei einem derartigen Aufbau unter anderem auch die Tatsache, dass vergleichsweise viel Abwärme durch die Abzweigung eines Teilstroms 49 zur Separation verloren geht. Der gesamte Wirkungsgrad der Anlage wird durch diese Prozessführung reduziert.A disadvantage of such a structure is, among other things, the fact that a comparatively large amount of waste heat is generated by branching off a partial stream 49 is lost for separation. The overall efficiency of the system is reduced by this process control.

2 zeigt eine entsprechende halb geschlossene, emissionsfreie Anlage, bei welcher die in den heissen Abgasen 23 der Gasturbine enthaltene Abwärme nicht in einem separaten Dampfkreislauf wie in 1 genutzt wird, sondern vielmehr zur Erzeugung von Dampf verwendet wird, welcher zunächst über eine Gegendruckdampfturbine 35 (so genannte topping steam turbine) entspannt wird. Dabei wird bei der Entspannung des Dampfes in der Turbine 50 an einem Generator 11 elektrische Energie erzeugt. Stromab der Dampfturbine 50 wird der Dampf anschliessend entweder vor oder in der Brennkammer 2 dem komprimierten Umlaufgas 48 zugeführt. Durch die Zuführung von Dampf in das Umlaufgas erhöht sich der Massenstrom und damit die Leistung, welche von der Gasturbine respektive dem Generator 8 erzeugt werden kann. Auch im Zusammenhang mit einem Aufbau gemäss 2 stellen sich aber das obengenannte Problem, dass auch hier durch den abgezweigten Teilstrom 49 relativ viel Wärme ungenutzt aus dem System entfernt wird, wodurch sich der Wirkungsgrad erniedrigt. 2 shows a corresponding semi-closed, emission-free system, in which the in the hot exhaust gases 23 the waste heat contained in the gas turbine is not in a separate steam cycle as in 1 is used, but rather is used to generate steam, which is initially via a back pressure steam turbine 35 (so-called topping steam turbine) is relaxed. The steam is released in the turbine 50 on a generator 11 generates electrical energy. Downstream of the steam turbine 50 the steam is then either in front of or in the combustion chamber 2 the compressed recycle gas 48 fed. The supply of steam to the circulating gas increases the mass flow and thus the output from the gas turbine or the generator 8th can be generated. Also in connection with a structure according to 2 However, the above-mentioned problem arises that here, too, due to the branched partial stream 49 relatively much heat is removed from the system unused, which lowers the efficiency.

Die genannten Probleme lassen sich durch erfindungsgemässes Vorgehen vermeiden. Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Verfahrens ist in 3a) dargestellt.The problems mentioned can be avoided by the procedure according to the invention. An embodiment of a method according to the invention is shown in 3a ).

Der Gasstrom 37 (Umlaufgas) besteht im wesentlichen aus Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) und kleinen Anteilen weiterer Komponenten. Im Verdichter 1 wird das Umlaufgas bis auf den Arbeitsdruck der Gasturbine 3 komprimiert. Der heisse Gasstrom 48 wird anschliessend in einem Zwischenkühler 47 gekühlt, indem Wärme an durch den Zwischenkühler 47 geführtes Wasser übertragen wird.The gas flow 37 (Recycle gas) consists essentially of carbon dioxide (CO ₂ ) and water (H ₂ O) and small proportions of other components. In the compressor 1 becomes the recycle gas up to the working pressure of the gas turbine 3 compressed. The hot gas stream 48 is then in an intercooler 47 cooled by heat on through the intercooler 47 water is transferred.

Stromab des Zwischenkühlers 47 wird das komprimierte Umlaufgas aufgeteilt, wobei ein Grossteil über die Leitung 44 einem Befeuchtungsturm 46 zugeführt wird (üblicherweise mehr als 80%), und ein kleinerer Anteil über die Leitung 43 einer Einheit zur Separation zugeführt wird. In dieser Einheit wird das Gas zunächst durch einen Kondensator 7a geleitet, in welchem im wesentlichen das gesamte Wasser aus dem Gas auskondensiert wird. Das Wasser wird anschliessend über die Leitung 33 entweder aus dem System entfernt oder einer weiteren Verwendung innerhalb des Systems verfügbar gemacht. Hinter dem ersten Kondensator 7a wird das Gas, welches im wesentlichen nur noch aus Kohlendioxid besteht, in einem Kompressor 6 weiter komprimiert und in einem zweiten Kondensator 7b weiter komprimiert. Dabei wird nochmals etwas Wasser auskondensiert und über die Leitung 33 abgeführt, und das resultierende Kohlendioxid wird über die Leitung 32 entweder entsorgt oder anders verwendet. Die in den beiden Kondensatoren 7 aus dem Gas entfernte Abwärme kann dabei über Wärmetauscher 42 einem Prozesswasserstrom zugeführt werden. Dieses warme Wasser, welches üblicherweise bei einer Temperatur von 60 bis 100 Grad Celsius vorliegt, kann in weiteren Prozessen innerhalb des Systems verwendet werden (vgl. weiter unten).Downstream of the intercooler 47 the compressed recycle gas is divided, with a large part via the line 44 a humidification tower 46 is supplied (usually more than 80%), and a smaller proportion via the line 43 a unit for separation is fed. In this unit, the gas is first passed through a condenser 7a passed in which essentially all of the water is condensed out of the gas. The water is then piped 33 either removed from the system or made available for further use within the system. Behind the first condenser 7a the gas, which essentially consists only of carbon dioxide, is in a compressor 6 further compressed and in a second capacitor 7b further compressed. A little water is condensed out again via the line 33 dissipated, and the resulting carbon dioxide is on the line 32 either disposed of or otherwise used. The one in the two capacitors 7 Waste heat removed from the gas can be transferred via heat exchangers 42 be fed to a process water flow. This warm water, which is usually at a temperature of 60 to 100 degrees Celsius, can be used in other processes within the system (see below).

Im Befeuchtungsturm 46 wird der Hauptteil des Umlaufgases mit Wasser so stark wie möglich befeuchtet. Üblicherweise ist der Gasstrom 40 hinter dem Befeuchtungsturm mit Wasser gesättigt. Dabei wird darauf geachtet, dass die für die Verdampfung des Wassers erforderliche Enthalpie im wesentlichen durch das Wasser zur Verfügung gestellt wird, d. h. dass das Wasser zur Befeuchtung mit einer möglichst hohen Temperatur zugeführt wird. Das zur Befeuchtung verwendete Wasser stammt auf der einen Seite aus dem Zwischenkühler 47. Das im Zwischenkühler 47 zur Kühlung des Umlaufgases verwendete Prozesswasser weist eine erhöhte Temperatur auf und kann im Befeuchtungsturm infolgedessen direkt verwendet werden unter optimaler Ausnützung der Wärme. Alternativ oder zusätzlich wird dem Befeuchtungsturm 46 Wasser zugeführt, welches aus dem Abhitzekessel 4 stammt. Auf diese Weise kann Wärme, welche im Zwischenkühler 47 und im Abhitzekessel 4 anfällt, optimal für den Verdampfungsprozess eingesetzt werden und die Befeuchtung des Umlaufgases führt zu einer Erhöhung des Massenstroms in der Gasturbine mit der damit verbundenen Erhöhung der Leistung.In the humidification tower 46 the main part of the circulating gas is moistened with water as much as possible. Usually the gas flow 40 saturated with water behind the humidification tower. Care is taken to ensure that the enthalpy required for the evaporation of the water is essentially provided by the water, ie that the water for humidification is supplied at the highest possible temperature. The water used for humidification comes from the intercooler on one side 47 , That in the intercooler 47 Process water used to cool the circulating gas is at an elevated temperature and can therefore be used directly in the humidification tower with optimal use of the heat. Alternatively or additionally, the humidification tower 46 Water supplied from the waste heat boiler 4 comes. In this way, heat that is in the intercooler 47 and in the waste heat boiler 4 is optimally used for the evaporation process and the humidification of the recycle gas leads to an increase in the mass flow in the gas turbine with the associated increase in output.

Überschüssiges Wasser aus dem Befeuchtungsturm 46 wird über die Leitung 45 abgeführt und entweder dem Eingang des Abhitzekessels 4 zugeleitet oder dem Eingang des Zwischenkühlers 47. Bevorzugt wird als Prozesswasser für den Wärmetausch im Zwischenkühler Wasser verwendet, welches bereits wenigstens leicht erwärmt ist. In Frage kommt dazu unter anderem Wasser aus dem Luftzerlegungsprozess 9 (z. B. Wasser mit vergleichsweise niedrigwertiger Wärme aus einem Kühler 12), Wasser aus der Einheit zur Separation, d. h. Wasser aus den Wärmetauschern 42, oder aber auch aus einem Wärmetauscher 42, welcher einem Kondensator 5 für das Umlaufgas nachgeschaltet ist.Excess water from the humidification tower 46 is about the line 45 dissipated and either the entrance of the waste heat boiler 4 fed or the input of the intercooler 47 , Water which is at least slightly warmed is preferably used as the process water for the heat exchange in the intercooler. This includes water from the air separation process 9 (e.g. water with comparatively low-quality heat from a cooler 12 ), Water from the separation unit, ie water from the heat exchangers 42 , or from a heat exchanger 42 which is a capacitor 5 is connected downstream for the recycle gas.

Stromab des Befeuchtungsturms 46 wird das gesättigte Umlaufgas 40 in einer Überhitzerstufe 29 (Rekuperatorstufe) im Abhitzekessel 4 weiter erhitzt. Dabei werden üblicherweise Temperaturen von im Bereich von 500 bis 650 Grad Celsius erreicht, dies bei einem Druck, welcher dem Eintrittsdruck der Gasturbine entspricht, d.h. z. B. im Bereich von 10 bis 35 bar. Dieses erhitzte und befeuchtete Umlaufgas wird anschliessend der Brennkammer 2 zugeführt. Die Befeuchtung des Umlaufgases führt durch das zugefügte Wasser zu einer Erhöhung des Massenstroms durch die Gasturbine und damit zu einer Erhöhung der erzielbaren Leistung.Downstream of the humidification tower 46 becomes the saturated recycle gas 40 in a superheater stage 29 (Recuperator stage) in the waste heat boiler 4 heated further. Temperatures in the range from 500 to 650 degrees Celsius are usually reached, at a pressure which corresponds to the inlet pressure of the gas turbine, ie, for example in the range from 10 to 35 bar. This heated and humidified circulating gas then becomes the combustion chamber 2 fed. The humidification of the recycle gas leads to an increase in the mass flow through the gas turbine due to the added water and thus to an increase in the achievable output.

Ebenfalls der Brennkammer 2 zugeführt wird Sauerstoff 21 aus einer Luftzerlegungsanlage 9 sowie Brennstoff über eine Leitung 20. Beim Brennstoff handelt es sich vorzugsweise um Erdgas, es kann sich aber auch um flüssige Brennstoffe handeln. Die Verbrennung wird durch eine Regelung von Brennstoff und Sauerstoff so eingestellt, dass im wesentlichen der gesamte zugeführte Sauerstoff verwendet wird und stromab der Gasturbine 3 im wesentlichen kein Sauerstoff mehr im Umlaufgas vorhanden ist. Die Zuflüsse 20, 21, 40 zur Brennkammer 2 werden so geregelt, dass der erforderliche Leistungsausstoss der Gasturbine eingestellt wird und dass die Temperatur der heissen Verbrennungsgase in der Brennkammer 2 und der entspannten heissen Verbrennungsgase 39 hinter der Gasturbine 3 nicht so hoch werden, dass thermisch besonders belastete Teile über die Massen erhitzt werden. Selbstverständlich können derartige besonders thermisch belastete Teile durch eine zusätzliche Kühlung (z. B. Filmkühlung oder Dampfkühlung) gekühlt werden. Diese zusätzlichen Möglichkeiten der Kühlung sind in 3a) aber nicht dargestellt. Grundsätzlich kommen für eine derartige Kühlung aber Gasflüsse/Dampfflüsse mit niedriger Temperatur in Frage, wie sie z. B. hinter dem Zwischenkühler 47 oder an anderen Stellen anfallen.Also the combustion chamber 2 oxygen is supplied 21 from an air separation plant 9 as well as fuel via a line 20 , The fuel is preferably natural gas, but it can also be liquid fuels. The combustion is adjusted by regulating fuel and oxygen in such a way that essentially all of the supplied oxygen is used and downstream of the gas turbine 3 essentially no more oxygen is present in the recycle gas. The tributaries 20 . 21 . 40 to the combustion chamber 2 are regulated in such a way that the required power output of the gas turbine is set and that the temperature of the hot combustion gases in the combustion chamber 2 and the relaxed hot combustion gases 39 behind the gas turbine 3 do not become so high that thermally particularly stressed parts are heated up over the masses. Such particularly thermally stressed parts can of course be cooled by additional cooling (for example film cooling or steam cooling). These additional cooling options are in 3a ) but not shown. Basically, for such cooling, however, gas flows / steam flows with a low temperature come into question, as z. B. behind the intercooler 47 or occur elsewhere.

Die heissen Verbrennungsgase 38 werden hinter der Brennkammer 2 einer Turbine 3 zugeführt, und darin entspannt. Die erzeugte mechanische Energie wird in einem Generator 8 in elektrische Energie umgewandelt. Hinter der Gasturbine 3 werden die entspannten heissen Verbrennungsgase 39 in einem Abhitzekessel 4 im Gegenstromprinzip zur Erwärmung von Wasser, wie dies weiter oben bereits beschrieben ist, genutzt. Das abgekühlte Umlaufgas wird hinter dem Abhitzekessel 4 in einem Kondensator 5 gekühlt, wobei gleichzeitig der Hauptteil des Wassers auskondensiert und über die Leitung 33 abgeführt wird. Das über die Leitung 33 abgeführte Wasser wird, wenn immer möglich, als Prozesswasser im Zyklus wiederverwendet. Der Vorteil dabei besteht darin, dass das aus dem Umlaufgas auskondensierte Wasser im wesentlichen frei von Verunreinigungen und Mineralien ist, welche bei einer Einbringung in das Umlaufgas gegebenenfalls zu Ablagerungen oder Verschmutzungen führen könnten. Während nämlich üblicherweise bei einer Wassereinspritzung darauf geachtet werden muss, das eingebrachte Wasser entweder mit Zusätzen zu versehen oder zu reinigen respektive zu deionisieren, wird hier vergleichsweise sauberes Wasser direkt durch den Prozess selber zur Verfügung gestellt. Es muss nur noch wenig gereinigt werden. Hinter dem Kondensator 5 wird das Umlaufgas wiederum über die Leitung 37 dem Eingang des Kompressors 1 zugeleitet.The hot combustion gases 38 are behind the combustion chamber 2 a turbine 3 fed, and relaxed in it. The mechanical energy generated is in a generator 8th converted into electrical energy. Behind the gas turbine 3 become the relaxed hot combustion gases 39 in a waste heat boiler 4 used in the countercurrent principle for heating water, as already described above. The cooled recycle gas is behind the waste heat boiler 4 in a capacitor 5 cooled, at the same time the main part of the water condenses and via the line 33 is dissipated. That over the line 33 Whenever possible, drained water is reused as process water in the cycle. The advantage here is that the water condensed out of the circulating gas is essentially free of impurities and minerals, which, if introduced into the circulating gas, could possibly lead to deposits or soiling. While it is usually the case with water injection that care must be taken to either add additives to the water or to clean or deionize it, comparatively clean water is provided directly by the process itself. It only needs a little cleaning. Behind the condenser 5 the recycle gas is in turn piped 37 the input of the compressor 1 fed.

Im Vergleich zu Fahrweise nach dem Stand der Technik weist der vorgeschlagene Prozess den grossen Vorteil auf, dass der Umlaufgas-Strom vor der Abzweigung 43 für die Separation in einem Zwischenkühler 47 heruntergekühlt wird, und dass die dabei anfallende Abwärme dem Prozess im Befeuchtungsturm 46 wieder zugeführt wird. So kann der durch die Abzweigung 43 resultierende Energieverlust um mindestens 2/3 reduziert werden im Vergleich zur konventionellen Fahrweise, wie sie z. B. in den 1 und 2 dargestellt ist. Ausserdem kann die Temperatur der Umlaufgase am Austritt des Abhitzekessel weiter reduziert werden als bei Verwendung eines konventionellen Dampferzeugers.Compared to the driving style according to the prior art, the proposed process has the great advantage that the circulating gas flow before the branch 43 for separation in an intercooler 47 is cooled down and that the waste heat accrues to the process in the humidification tower 46 is fed again. So it can through the junction 43 Resulting energy loss can be reduced by at least 2/3 compared to the conventional driving style, as z. Tie 1 and 2 is shown. In addition, the temperature of the circulating gases at the outlet of the waste heat boiler can be reduced further than when using a conventional steam generator.

Grundsätzlich erlaubt das vorgeschlagene Verfahren eine im Vergleich zur Verwendung von einer bottoming oder einer topping steam turbine wesentlich billigere Lösung bei vergleichbarem Wirkungsgrad (ein Abhitzekessel und ein Befeuchtungsturm sind vergleichsweise billige Komponenten und ausserdem wenig empfindlich). Ausserdem weist das vorgeschlagene Verfahren den Vorteil auf, im Vergleich zur Verwendung von weiteren Dampfturbinen leichter. einstellbar zu sein, d. h. der optimale Wirkungsgrad lässt sich auch unter den veränderten Bedingungen eines halb geschlossenen Kohlendioxid/Wasser Kreislaufs noch gut einstellen.Basically, the proposed method allows a much cheaper solution with comparable efficiency compared to the use of a bottoming or a topping steam turbine (a waste heat boiler and a humidification tower are comparatively cheap components and also not very sensitive). In addition, the proposed method has the advantage of being lighter in comparison to the use of further steam turbines. to be adjustable, ie the optimum efficiency can still be set well even under the changed conditions of a semi-closed carbon dioxide / water cycle.

3b) zeigt einen Ausschnitt aus dem Schema gem. 3a), bei welchem aber als Alternative sowohl der Prozess der Zwischenkühlung als auch jener der Befeuchtung zweistufig ausgebildet ist. Im Zwischenkühler 47 sind zwei hintereinander geschaltete Stufen der Kühlung angeordnet. Ebenso sind im Befeuchtungsturm 46 zwei hintereinander geschaltete Befeuchtungsstufen vorhanden, von welchen die erste auf einer niedrigen Temperatur und die zweite auf einer höheren Temperatur gefahren wird. Auch die entsprechenden Zuleitungen zu den zwei Stufen im Befeuchtungsturm werden in angepasster Weise aus dem Zwischenkühler 47 respektive aus zwei verschiedenen Stufen 31 im Abhitzekessel 4 bezogen. So werden die Temperaturniveaus der einzelnen Stufen optimal aufeinander abgestimmt und der Befeuchtungsprozess möglichst nahe beim Gleichgewicht gefahren und gleichzeitig aus den heißen Abgasen der Gasturbine möglichst viele Energie dem Prozess wieder zugeführt. Mit anderen Worten kann mit einer derartigen zweistufigen Befeuchtung der Gesamtwirkungsgrad der Anlage erhöht werden. 3b ) shows a section of the scheme acc. 3a ), in which, as an alternative, both the process of intermediate cooling and that of humidification is designed in two stages. In the intercooler 47 two cooling stages connected in series are arranged. Likewise, are in the humidification tower 46 there are two successive humidification stages, the first of which is operated at a low temperature and the second at a higher temperature. The corresponding supply lines to the two stages in the humidification tower are also adapted from the intercooler 47 respectively from two different levels 31 in the waste heat boiler 4 based. In this way, the temperature levels of the individual stages are optimally coordinated with one another and the humidification process is carried out as close to equilibrium as possible, and at the same time as much energy as possible is returned to the process from the hot exhaust gases of the gas turbine. In other words, the overall efficiency of the system can be increased with such a two-stage humidification.

11: Verdichtercompressor
22: Brennkammercombustion chamber
33: Turbineturbine
44: Abhitzekesselwaste heat boiler
55: Kühler, KondensatorCooler, condenser
66: Kompressorcompressor
7a,b7a, b: Kühlercooler
88th: Generatorgenerator
99: LuftzerlegungsanlageAir separation plant
1010: KondensationsdampfturbineCondensing steam turbine
1111: Generatorgenerator
1212: Kühlercooler
2020: Brennstoffzufuhrfuel supply
2121: Sauerstoffzufuhroxygen supply
2222: Wellewave
2323: Leitung zum Abhitzekesselmanagement to the waste heat boiler
2424: SpeisewasserbehälterFeedwater tank
2525: Pumpepump
2626: Economizereconomizer
2727: Dampftrommelsteam drum
2828: VerdampferEvaporator
2929: Überhitzer (Rekuperator)superheater (Recuperator)
3030: Kondensatorcapacitor
3131: Wassererhitzerwater heater
3232: Abführleitung für Kohlendioxiddischarge for carbon dioxide
3333: Abführleitung für Wasserdischarge for water
3434: FrischluftzufuhrFresh air
3535: Gegendruckdampfturbine, topping steam turbineBack pressure steam turbine, topping steam turbine
3636: Dampfeinspritzung vor Brennkammersteam injection in front of the combustion chamber
3737: Rückführung zum KompressorReturn to compressor
3838: heisse Verbrennungsgasename is combustion gases
3939: entspannte heisse Verbrennungsgaserelaxed hot combustion gases
4040: gesättigter Gasstromsaturated gas flow
4141: Wasserwater
4242: Wärmetauscherheat exchangers
4343: komprimierte Gase (abgeführter Anteil)compressed Gases (discharged Proportion of)
4444: komprimierte Gase (zu befeuchtender Anteil)compressed Gases (portion to be humidified)
4545: Restwasserresidual water
4646: Befeuchtungsturmhumidifying
4747: Zwischenkühlerintercooler
4848: komprimiertes Umlaufgascompressed recycle gas
4949: abgezweigter Teilstrom des Umlaufgases für Separationdiverted Partial flow of the recycle gas for separation

Claims

Method for operating a power plant with a semi-closed CO ₂ process, at least one compressor ( 1 ) is arranged, by which recycle gas is compressed, this compressed recycle gas ( 48 ) after passing through a combustion chamber ( 2 ) a gas turbine ( 3 ) is supplied, and wherein a waste heat boiler ( 4 ) is arranged, in which the in the relaxed exhaust gases ( 23 . 39 ) residual heat contained behind the gas turbine ( 3 ) is used, characterized in that the compressed recycle gas ( 48 ) before being introduced into the combustion chamber ( 2 ) in an intercooler ( 47 ) is cooled and then before being introduced into the combustion chamber ( 2 ) in a humidification tower ( 46 ) is moistened.

A method according to claim 1, characterized in that the in the intercooler ( 47 ) waste heat for humidification in the humidification tower ( 46 ) is used.

A method according to claim 2, characterized in that in the intercooler ( 47 ) Process water is heated, and that this hot process water in the humidification tower ( 46 ) is used for humidification, this process water being particularly preferred when it is introduced into the humidification tower ( 46 ) has a temperature in the range of 150 to 250 degrees Celsius at a pressure which essentially corresponds to the inlet pressure of the gas turbine.

A method according to claim 3, characterized in that as process water in the intercooler ( 47 ) water condensed from the recycle gas ( 33 ) and / or preheated process water from an air separation plant ( 9 ), and / or preheated process water from one unit ( 6 . 7 . 42 ) to remove carbon dioxide ( 32 ) and / or water ( 33 ), and / or preheated process water, which is at least indirectly used in a condenser ( 5 ) for the circulating gases and / or residual water ( 45 ) from the intercooler ( 47 ), is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that for humidifying the circulating gas in the humidification tower ( 46 ) Water is used which is in the waste heat boiler ( 4 ) was preheated, this preheating preferably gradually in an economizer ( 26 ) and then a water heater ( 31 ), and this water is particularly preferred when it is introduced into the humidification tower ( 46 ) has a temperature in the range of 150 to 250 degrees Celsius at a pressure which essentially corresponds to the inlet pressure of the gas turbine.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that essentially exclusively water condensed out of the circulating gas ( 33 ) for humidification in the humidification tower ( 46 ) is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the humidified circulating gas ( 40 ) downstream of the humidification tower ( 46 ) in the waste heat boiler ( 4 ), preferably in a superheater stage ( 29 ) before introduction into the combustion chamber ( 2 ) is further heated, the circulating gas after the overheating particularly preferably has a temperature in the range from 500 to 650 degrees Celsius at a pressure which essentially corresponds to the inlet pressure of the gas turbine.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that downstream of the intercooler ( 47 ) and in front of the humidification tower ( 46 ) a partial flow ( 43 ) of the compressed recycle gases and one unit ( 6 . 7 . 42 ) is supplied in which unit carbon dioxide ( 32 ) and / or water ( 33 ) are removed from the recycle gas, this partial stream ( 43 ) makes up less than 20%, particularly preferably less than 15% of the total circulating current.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that, in order to reduce the compression work, the circulating gas is also cooled in an intercooler or by water injection, the waste heat generated in this case being particularly preferably at least indirectly used for humidification in the humidification tower (using an intercooler) 46 ) is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the in the combustion chamber ( 2 ) used oxygen ( 21 ) in a separate air separation plant ( 9 ) is provided, which is the air separation plant ( 9 ) a cryogenic, an absorptive or a membrane-based air separation plant ( 9 ) can act.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the in the combustion chamber ( 2 ) used oxygen ( 21 ) is made available in an integrated membrane module.

Device for carrying out a method according to one of the preceding claims, wherein the device comprises a semi-closed CO ₂ process, at least one compressor ( 1 ) is arranged, by which recycle gas is compressed, this compressed recycle gas ( 48 ) after passing through a combustion chamber ( 2 ) a gas turbine ( 3 ) is supplied, and wherein a waste heat boiler ( 4 ) is arranged, in which the in the relaxed exhaust gases ( 23 . 39 ) contained residual heat behind the gas turbine ( 3 ) is used, characterized in that an intercooler ( 47 ) is arranged in which the compressed recycle gas ( 48 ) before being introduced into the combustion chamber ( 2 ) is cooled and also a humidification tower ( 46 ) is arranged, in which the cooled compressed recycle gas before introduction into the combustion chamber ( 2 ) is moistened.