DE20313279U1 - Steam power plant - Google Patents
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Description
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Beschreibung
DampfkraftwerkDescription
Steam power plant
Die Erfindung betrifft ein Dampfkraftwerk mit mindestens einer Dampfturbine und einem befeuerten Dampferzeuger.The invention relates to a steam power plant with at least one steam turbine and a fired steam generator.
Bei bekannten Dampfkraftwerken wird Betriebsdampf für eine Dampfturbine meist in einem befeuerten Dampferzeuger erzeugt, wobei die in einem Heißgas enthaltene Energie an einen oder mehrere Wärmetauscher abgegeben wird, welche mit Wasser bespeist sind, so dass durch Aufheizung dieses Wassers Betriebsdampf erzeugbar ist, oder welche mit Dampf bespeist sind, so dass mittels eines letztgenannten Wärmetauschers eine Überhitzung des Dampfes erzielbar ist; eine derartige Überhitzung findet bei bekannten Dampfturbinen beispielsweise zwischen einer Hochdruckstufe und einer Mitteldruckstufe der Dampfturbine statt, wobei der die Hochdruckstufe verlassende Dampf mittels einer im Dampferzeuger angeordneten Zwischen-Überhitzerheizfläche überhitzt und der Mitteldruckstufe zugeführt wird.In known steam power plants, operating steam for a steam turbine is usually generated in a fired steam generator, with the energy contained in a hot gas being transferred to one or more heat exchangers which are fed with water so that operating steam can be generated by heating this water, or which are fed with steam so that superheating of the steam can be achieved by means of a latter heat exchanger; in known steam turbines, such superheating takes place, for example, between a high-pressure stage and a medium-pressure stage of the steam turbine, with the steam leaving the high-pressure stage being superheated by means of an intermediate superheater heating surface arranged in the steam generator and being fed to the medium-pressure stage.
Derartige Zwischenüberhitzungen des Dampfes tragen beispielsweise zu einem höheren Wirkungsgrad der Dampfturbine bei.Such intermediate superheating of the steam contributes, for example, to a higher efficiency of the steam turbine.
Bei bekannten Dampfkraftwerken erfolgt die Zufuhr von Wärmeenergie zur Erzeugung und/oder Zwischenüberhitzung von Dampf mittels Wärmetauscherflächen, welche im befeuerten Dampferzeuger, beispielsweise einem kohle- oder öl- oder biomassebefeuerten oder allgemein fossil oder nuklear befeuerten Dampfkessel angeordnet sind und mit einem im Dampferzeuger geführten Heißgas in Berührung kommen. Die erhitzten Wärmetauscherflächen geben wiederum ihre Wärmeenergie an Wasser und/oder Dampf ab, welche innerhalb des von einer Wärmetauscherfläche gebildeten Körpers geführt sind. Die Erhitzung erfolgt also mittels einer Wärmeübertragung vom Heißgas an die Wärmetau-In known steam power plants, the supply of thermal energy for the generation and/or reheating of steam is carried out by means of heat exchanger surfaces which are arranged in the fired steam generator, for example a coal-fired, oil-fired, biomass-fired or generally fossil-fired or nuclear-fired steam boiler, and which come into contact with a hot gas conducted in the steam generator. The heated heat exchanger surfaces in turn give off their thermal energy to water and/or steam which are conducted within the body formed by a heat exchanger surface. The heating is therefore carried out by means of heat transfer from the hot gas to the heat exchanger.
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scherfläche und von der Wärmetauscherfläche an das aufzuheizende Medium.shear surface and from the heat exchanger surface to the medium to be heated.
Da bei den aus dem Stand der Technik bekannten Wärmetauschern, welche in Dampferzeugern bekannter Dampfkraftanlagen eingesetzt sind, die Energie eines Heißgases an das aufzuheizende Medium mittels eines durch das Heißgas aufgeheizten Werkstoffs der Wärmetauscherfläche übertragen wird, ist die Menge an Energie, welche an das aufzuheizende Medium, beispielsweise Wasser und/oder Dampf übertragen werden kann, begrenzt durch die Werkstoffeigenschaften der Wärmetauscherfläche. Since in the heat exchangers known from the prior art, which are used in steam generators of known steam power plants, the energy of a hot gas is transferred to the medium to be heated by means of a material of the heat exchanger surface heated by the hot gas, the amount of energy that can be transferred to the medium to be heated, for example water and/or steam, is limited by the material properties of the heat exchanger surface.
Daher sind bei bekannten Dampfkraftanlagen die zulässigen Dampftemperaturen begrenzt, da die die Wärmeenergie übertragende Wärmetauscherfläche aufgrund ihrer Werkstoffeigenschaften und damit im Zusammenhang stehenden thermischen Belastungsgrenzen nicht beliebig hoch aufheizbar ist.Therefore, the permissible steam temperatures in known steam power plants are limited, since the heat exchanger surface transferring the thermal energy cannot be heated to an arbitrary level due to its material properties and the associated thermal load limits.
Des Weiteren ist die Wärmeübertragung von Heißgas an das aufzuheizende Medium mit einer Verzögerung behaftet, verursacht im Wesentlichen durch die benötigte Aufheizzeit der Wärmetauscherfläche. Furthermore, the heat transfer from hot gas to the medium to be heated is subject to a delay, mainly caused by the required heating time of the heat exchanger surface.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Dampfkraftwerk mit mindestens einer Dampfturbine und einem Dampferzeuger anzugeben, welches flexibel einsetzbar ist und insbesondere genannte Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet .The invention is therefore based on the object of specifying a steam power plant with at least one steam turbine and one steam generator, which can be used flexibly and in particular overcomes the disadvantages of the prior art.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Dampfkraftwerk, umfassend mindestens eine Dampfturbine und einen befeuerten Dampferzeuger, bei welchem eine Brennkammer in Richtung des Dampfstroms nach einer ersten Turbinenstufe und vor einer zweiten Turbinenstufe der Dampfturbine angeordnet ist und der Dampfstrom in der Brennkammer mittels Vermischung mit einem in der Brennkammer erzeugbaren Heißgas beheizbar ist.The object is achieved according to the invention by a steam power plant comprising at least one steam turbine and a fired steam generator, in which a combustion chamber is arranged in the direction of the steam flow after a first turbine stage and before a second turbine stage of the steam turbine and the steam flow in the combustion chamber can be heated by mixing with a hot gas that can be generated in the combustion chamber.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Wärmeübertragung von einem Heißgas an ein aufzuheizendes Medium im Vergleich zum Stand der Technik weniger beschränkt ist, wenn die Energieübertragung auf das aufzuheizende Medium auf die Verwendung einer Wärmetauscherfläche verzichtet.The invention is based on the consideration that the heat transfer from a hot gas to a medium to be heated is less limited compared to the prior art if the energy transfer to the medium to be heated does not require the use of a heat exchanger surface.
Dies wird bei der Erfindung dadurch erreicht, dass der aufzuheizende Dampfstrom unmittelbar in eine Brennkammer eingeleitet wird und sich dort direkt mit dem Heißgas vermischt.This is achieved in the invention by introducing the steam flow to be heated directly into a combustion chamber where it mixes directly with the hot gas.
Diese erfindungsgemäße interne Zusatzfeuerung kann in Dampfstromrichtung nach dem Dampferzeuger und vor der Dampfturbine, also bereits zur Überhitzung von Frischdampf, oder auch zur Überhitzung von Dampf verwendet werden, welcher bereits einen Teil seiner Energie in einer Turbinenstufe abgegeben und nach einer erfindungsgemäßen Überhitzung einer weiteren Turbinenstufe zugeführt wird.This internal additional firing according to the invention can be used in the steam flow direction after the steam generator and before the steam turbine, i.e. already for superheating fresh steam, or also for superheating steam which has already released part of its energy in a turbine stage and is fed to a further turbine stage after superheating according to the invention.
Mittels eines erfindungsgemäßen Dampfkraftwerks sind im Vergleich zum Stand der Technik höhere Dampftemperaturen erzielbar, welche zu einem höheren Wirkungsgrad des Dampfkraftwerks beitragen können.By means of a steam power plant according to the invention, higher steam temperatures can be achieved compared to the prior art, which can contribute to a higher efficiency of the steam power plant.
Wird bei einem erfindungsgemäßen Dampfkraftwerk die mittels der Brennkammer realisierte Zusatzfeuerung abgeschaltet oder fällt diese aus, so kann das Dampfkraftwerk weiterbetrieben werden wie ein bekanntes Dampfkraftwerk.If the additional firing realized by means of the combustion chamber in a steam power plant according to the invention is switched off or fails, the steam power plant can continue to operate like a known steam power plant.
Vorteilhaft ist der Brennkammer Wasserstoff und/oder ein Kohlenwasserstoff, insbesondere Methan, als Brennstoff zuführbar. Advantageously, hydrogen and/or a hydrocarbon, in particular methane, can be supplied to the combustion chamber as fuel.
Insbesondere umfasst der Brennstoff Kohlenstoff und/oder Wasserstoff. In particular, the fuel comprises carbon and/or hydrogen.
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Die Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff bietet vor allem den Vorteil, dass - falls der Wasserstoff wie vielfach üblich durch Reformierung oder Vergasung aus einem Kohlenwasserstoff hergestellt ist - anfallendes Kohlendioxid bereits während der Herstellung des Wasserstoffs bei der Reformierung oder Vergasung eines Kohlenwasserstoffs mit vergleichsweise geringem Energieaufwand zurückgehalten werden kann und so die Bildung eines sauren Dampfgemisches innerhalb der Dampfturbine und/oder anderen Komponenten des Dampfkraftwerks von vornherein vermieden ist.The use of hydrogen as a fuel offers the main advantage that - if the hydrogen is produced from a hydrocarbon by reforming or gasifying it, as is often the case - any carbon dioxide produced during the production of hydrogen during the reforming or gasifying of a hydrocarbon can be retained with comparatively little energy expenditure, thus preventing the formation of an acidic steam mixture within the steam turbine and/or other components of the steam power plant from the outset.
Um eine besonders gute Befeuerung der Brennkammer zu erreichen, ist der Befeuerungseinrichtung vorteilhaft ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere reiner Sauerstoff und/oder Luft zur Erzeugung einer Verbrennungsatmosphäre zuführbar.In order to achieve particularly good firing of the combustion chamber, an oxygen-containing gas, in particular pure oxygen and/or air, can advantageously be supplied to the firing device to generate a combustion atmosphere.
Diese Ausführungsform der Erfindung trägt dem Erfordernis Rechnung, dass eine Verbrennung eines Brennstoffs nur in einer geeigneten Verbrennungsatmosphäre möglich ist. Eine besonders effiziente Verbrennung ist mittels der Zuführung reinen Sauerstoffs möglich, da dieser im Vergleich zu Luft keine weiteren, für die Verbrennung eher hinderlichen Bestandteile enthält, die u.U. vor der Verbrennung beispielsweise in einer Luftzerlegungseinrichtung abgetrennt werden müssten, um eine geeignete Verbrennungsatmosphäre zu schaffen.This embodiment of the invention takes into account the requirement that combustion of a fuel is only possible in a suitable combustion atmosphere. Particularly efficient combustion is possible by supplying pure oxygen, since, in comparison to air, this does not contain any other components that hinder combustion and which may have to be separated before combustion, for example in an air separation device, in order to create a suitable combustion atmosphere.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind anfallende Verbrennungsprodukte dem Dampfstrom mittels eines der Dampfturbine nachgeschalteten Kondensators entnehmbar. In a further preferred embodiment of the invention, combustion products can be removed from the steam stream by means of a condenser downstream of the steam turbine.
Bei praktisch allen Verbrennungsprozessen entstehen Verbrennungsprodukte, welche meist abzuführen sind, da sie sich, insbesondere nach einer längeren Betriebszeit, in der Brennkammer oder sonstigen Komponenten ablagern können und deren Funktion einschränken.Virtually all combustion processes produce combustion products, which usually have to be removed because they can accumulate in the combustion chamber or other components, particularly after a long period of operation, and limit their function.
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Wird bei einem erfindungsgemäßen Dampfkraftwerk beispielsweise Kohlenwasserstoff als Brennstoff in einer Atmosphäre aus reinem Sauerstoff verbrannt, so entstehen zumindest die Verbrennungsprodukte Wasser und Kohlendioxid. Diese Verbrennungsprodukte werden vom Dampfstrom mitgeführt und dem Kondensator zugeleitet. Bei bekannten Dampfkraftwerken ist ein Kondensator meist ohnehin vorhanden, so dass im Zusammenhang mit der Erfindung nicht unbedingt ein zur Entnahme der Verbrennungsprodukte geeigneter, separater Kondensator vorgesehen werden muss.If, for example, hydrocarbons are burned as fuel in an atmosphere of pure oxygen in a steam power plant according to the invention, at least the combustion products water and carbon dioxide are produced. These combustion products are carried along by the steam flow and fed to the condenser. In known steam power plants, a condenser is usually present anyway, so that in connection with the invention it is not necessarily necessary to provide a separate condenser suitable for removing the combustion products.
Bei der Abkühlung des Dampfes, welcher die Verbrennungsprodukte als Wasser-Kohlendioxid-Gemisch enthält, kondensiert der Wasseranteil weitgehend und es bleibt nahezu reines, gasförmiges Kohlendioxid übrig, welches dem Kondensator entnommen und beispielsweise gelagert werden kann.When the steam, which contains the combustion products as a water-carbon dioxide mixture, is cooled, the water content largely condenses and almost pure, gaseous carbon dioxide remains, which can be removed from the condenser and stored, for example.
Wie bereits erwähnt, kann bei der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff, welcher mittels einer Reformierung oder Vergasung eines Kohlenwasserstoffs hergestellt ist, anfallendes Kohlendioxid bereits vor der Einleitung des Brennstoffs in die Brennkammer entnommen werden, so dass in diesem Fall bei der Verbrennung praktisch kein Kohlendioxid als Verbrennungsprodukt entsteht.As already mentioned, when using hydrogen as a fuel, which is produced by reforming or gasifying a hydrocarbon, the resulting carbon dioxide can be removed before the fuel is introduced into the combustion chamber, so that in this case practically no carbon dioxide is produced as a combustion product during combustion.
Die mittels der Brennkammer eines erfindungsgemäßen Dampfkraftwerks realisierte interne Zusatzfeuerung kann während des Betriebs der Dampfturbine sehr schnell zur Verfügung gestellt werden. Dazu ist lediglich das Entzünden von in die Brennkammer eingeleiteten Brennstoff nötig; es entfallen insbesondere die Aufheizzeiten von bekannten Wärmetauscherflächen. The internal additional firing realized by means of the combustion chamber of a steam power plant according to the invention can be made available very quickly during operation of the steam turbine. All that is required is the ignition of fuel introduced into the combustion chamber; in particular, the heating-up times of known heat exchanger surfaces are eliminated.
Des Weiteren bietet ein erfindungsgemäßes Dampfkraftwerk den Vorteil, dass Verbrennungsprodukte und/oder Abgas nicht unbedingt aus der Brennkammer mittels einer separaten Austragseinrichtung abgeführt werden müssen, da sie vom Dampf-Furthermore, a steam power plant according to the invention offers the advantage that combustion products and/or exhaust gases do not necessarily have to be discharged from the combustion chamber by means of a separate discharge device, since they are
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strom mitgeführt und an anderer Stelle des Dampfkreislaufs, beispielsweise dem genannten Kondensator, ausgekoppelt werden können. Außerdem ist durch die Erfindung eine höhere Dampftemperatur erzielbar, ohne die Auslegung des Dampferzeugers ändern zu müssen.current and can be decoupled at another point in the steam circuit, for example the condenser mentioned. In addition, the invention makes it possible to achieve a higher steam temperature without having to change the design of the steam generator.
Ein erfindungsgemäßes Dampfkraftwerk kann insbesondere auch zur Bereitstellung von Energie in Spitzenlastzeiten oder zur Stützung der Netzfrequenz eines elektrischen Energieversorgungsnetzes eingesetzt werden; ein erfindungsgemäßes Dampfkraftwerk bietet die Möglichkeit einer schnellen Leistungsregelung und ist sehr flexibel einsetzbar.A steam power plant according to the invention can also be used in particular to provide energy during peak load times or to support the grid frequency of an electrical energy supply network; a steam power plant according to the invention offers the possibility of rapid power control and can be used very flexibly.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher dargestellt.An embodiment of the invention is presented in more detail below.
Es zeigt:It shows:
FIG ein erfindungsgemäßes Dampfkraftwerk.FIG shows a steam power plant according to the invention.
In der Figur ist ein erfindungsgemäßes Dampfkraftwerk 1 dargestellt, welches eine mit einem Generator 21 gekoppelte Dampfturbine 3, sowie einen befeuerten Dampferzeuger 5 umfasst. The figure shows a steam power plant 1 according to the invention, which comprises a steam turbine 3 coupled to a generator 21, as well as a fired steam generator 5.
Die Dampfturbine 3 ist dreistufig aufgebaut und weist eine erste Turbinenstufe 11, eine zweite Turbinenstufe 13 und eine dritte Turbinenstufe 15 auf, welche als Hochdruckstufe, Mitteldruckstufe bzw. Niederdruckstufe ausgebildet sind.The steam turbine 3 is constructed in three stages and has a first turbine stage 11, a second turbine stage 13 and a third turbine stage 15, which are designed as a high-pressure stage, a medium-pressure stage and a low-pressure stage, respectively.
Beim Dampferzeuger 5 handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Figur und einen mittels Kohle 27 befeuerten Kessel, welchem zum Unterhalten der Kohlefeuerung Verbrennungsluft 29 zugeführt ist.In the present embodiment of the figure, the steam generator 5 is a boiler fired by means of coal 27, to which combustion air 29 is supplied to maintain the coal firing.
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Im Dampferzeuger 5 ist im Bereich dessen heißem Ende eine Heizfläche 37 sowie in einem Bereich niedrigerer Temperatur eine Zwischenüberhitzerheizfläche 35 angeordnet.In the steam generator 5, a heating surface 37 is arranged in the region of its hot end and an intermediate superheater heating surface 35 is arranged in a region of lower temperature.
Die Heizfläche 37 dient dazu, Speisewasser 24 aus einem Speisewasserbehälter 23 im Dampferzeuger 5 derart zu erhitzen, dass der ersten Turbinenstufe 11 Betriebsdampf zuführbar ist.The heating surface 37 serves to heat feed water 24 from a feed water tank 23 in the steam generator 5 such that operating steam can be supplied to the first turbine stage 11.
Nach Teilentspannung in der ersten Turbinenstufe 11 wird der Dampf mittels der Zwischenüberhitzerheizfläche 35 zwischenüberhitzt. Ein Dampfstrom 17 tritt in Richtung 9 aus der Zwischenüberhitzerheizfläche 35 aus und wird einer Befeuerungseinrichtung zugeleitet. Dabei wird der Dampfstrom 17 in einer Brennkammer 19 mittels eines Brennstoffs 33 und Zugabe von Sauerstoff 31 aufgeheizt, wobei sich der Dampfstrom 17 in der Brennkammer 19 mit dem Heißgas vermischt, welches in der Brennkammer 19 bei der Verbrennung des Brennstoffs 33 entsteht .After partial expansion in the first turbine stage 11, the steam is reheated by means of the reheater heating surface 35. A steam flow 17 exits the reheater heating surface 35 in the direction 9 and is fed to a firing device. The steam flow 17 is heated in a combustion chamber 19 by means of a fuel 33 and the addition of oxygen 31, whereby the steam flow 17 in the combustion chamber 19 mixes with the hot gas which is produced in the combustion chamber 19 during the combustion of the fuel 33.
0 Die Wärmeübertragung vom Heißgas auf den Dampfstrom 17 erfolgt also direkt durch Vermischung, ohne dass zur Wärmeübertragung ein Werkstoff, beispielsweise eine Wärmetauscherfläche, vorgesehen ist.0 The heat transfer from the hot gas to the steam stream 17 thus takes place directly by mixing, without a material, for example a heat exchanger surface, being provided for heat transfer.
Anstelle von Sauerstoff 31 ist auch die Verwendung von Luft zur Erzeugung einer geeigneten Verbrennungsatmosphäre möglich, wobei die Luft ggf. vor Einleitung in die Brennkammer mittels einer Luftzerlegungseinrichtung in Sauerstoff und Restgas aufgespaltet wird.Instead of oxygen 31, it is also possible to use air to generate a suitable combustion atmosphere, wherein the air is split into oxygen and residual gas by means of an air separation device before being introduced into the combustion chamber.
Als Brennstoff 33 kann beispielsweise ein Kohlenwasserstoff, insbesondere Methan, oder Wasserstoff verwendet werden.As fuel 33, for example, a hydrocarbon, in particular methane, or hydrogen can be used.
Der mittels der Brennkammer 19 aufgeheizte Dampfstrom 17 wird der zweiten Turbinenstufe 13 zugeführt, wo er zumindest einen Teil seiner in ihm enthaltenen Energie in mechanische Arbeit wandelt. Der so weiter entspannte Dampf verlässt die zweiteThe steam flow 17 heated by the combustion chamber 19 is fed to the second turbine stage 13, where it converts at least part of the energy it contains into mechanical work. The steam, which has been further expanded in this way, leaves the second
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Turbinenstufe 13 und wird der dritten Turbinenstufe 15 zugeleitet, wo die im Dampf noch vorhandene Energie möglichst gut in mechanische Energie umgewandelt wird.Turbine stage 13 and is fed to the third turbine stage 15, where the energy still present in the steam is converted as effectively as possible into mechanical energy.
Der entspannte Dampf verlässt als Wasser-Dampf-Gemisch die dritte Turbinenstufe 15 und wird einem Kondensator 25 zugeleitet, wo der noch vorhandene Dampfanteil zu Wasser kondensiert wird.The expanded steam leaves the third turbine stage 15 as a water-steam mixture and is fed to a condenser 25, where the remaining steam portion is condensed into water.
Dieses, sich im Kondensator 25 ansammelnde Wasser wird als Kondensat 26 dem Speisewasserbehälter 23 zugeführt.This water accumulating in the condenser 25 is fed to the feed water tank 23 as condensate 26.
Dem Kondensator 25 können Verbrennungsprodukte 39 entnommen werden, welche bei der Verbrennung in der Brennkammer 19 entstehen. Combustion products 39 which are produced during combustion in the combustion chamber 19 can be removed from the condenser 25.
Da sich in der Brennkammer 19 die Verbrennung innerhalb des Dampfstroms 17 abspielt, werden die Verbrennungsprodukte 39 vom Dampfstrom 17 im Dampfkreislauf mitgeführt und nach dieser Ausführungsform der Erfindung dem Kondensator 25 entnommen. Since the combustion takes place within the steam flow 17 in the combustion chamber 19, the combustion products 39 are carried along by the steam flow 17 in the steam circuit and, according to this embodiment of the invention, are removed from the condenser 25.
Wird als Brennstoff 33 beispielsweise ein Kohlenwasserstoff mit Sauerstoff 31 verbrannt, so umfassen die Verbrennungsprodukte 39 Wasser und Kohlendioxid. Dieses Wasser-Kohlendioxid-Gemisch wird vom Dampfstrom 17 mitgeführt und kann dem Kondensator 25 entnommen werden, da bei der Abkühlung des Wasser-Kohlendioxid-Gemischs der Wasseranteil weitgehend kondensiert und nahezu reines gasförmiges Kohlendioxid als Gas verbleibt, welches anschließend abtransportiert und beispielsweise gelagert werden kann.If, for example, a hydrocarbon is burned with oxygen 31 as fuel 33, the combustion products 39 comprise water and carbon dioxide. This water-carbon dioxide mixture is carried along by the steam flow 17 and can be removed from the condenser 25, since when the water-carbon dioxide mixture is cooled, the water content largely condenses and almost pure gaseous carbon dioxide remains as a gas, which can then be transported away and stored, for example.
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Claims (4)
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R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20091027 |
|
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years | ||
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20111118 |
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R071 | Expiry of right | ||
R071 | Expiry of right |