DE3546465A1 - Verfahren und anordnung zum betrieb eines verbrennungskraftwerkes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Anord­ nung zum Betrieb eines mit kohlenstoffhaltigen Brenn­ stoffen betriebenen stationären Verbrennungskraftwer­ kes zur elektrischen Energieerzeugung, bestehend aus einem mit Brennstoff beschickten Brennraum, einer im Abgasstrom nachfolgend angeordneten an sich bekannten Abscheideeinrichtung für Verunreinigungen sowie einer Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie und mit Mitteln zur Zufuhr des Brenngutes zum Brennraum und mit Mitteln zur Abführung von Brennstoffresten aus dem Brennraum.

Solchen Verbrennungskraftwerken zur elektrischen Ener­ gieerzeugung wird als Oxidationsmittel für den Brenn­ stoff Luft zugeführt, deren Sauerstoffgehalt ggf. entweder zur Verbesserung der Verbrennung durch Sauerstoffzu­ gabe erhöht oder zur Verminderung der schädlichen Stof­ fe in der Abluft herabgesetzt wird, z.B. durch Rück­ führung eines Teiles der Abluft in den Brennraum. In allen Fällen wird Abluft, in welcher neben dem bei der Verbrennung entstandenen Kohlenstoffdioxid Stickstoff und mehr oder weniger große Mengen soge­ nannter Schadgase oder Schadstoffe enthalten sind, in die Atmosphäre abgeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Anordnung eines Kraftwerkes aufzuzeigen, das elektrische Energie erzeugt, ohne Abluft oder Abgas an die Atmosphäre abzugeben.

Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeich­ net ist, löst die Aufgabe, Verfahren und Anordnung eines Verbrennungskraftwerkes zur Erzeugung elektri­ scher Energie, schaffen welches keine Emissionen an die Atmosphäre abgibt, indem als Oxidationsmit­ tel dem Brennraum nicht Sauerstoff mittels Luft sondern reiner Sauerstoff technischer Qualität und zusätzlich, außer Wasserdampf nicht mehr als maxi­ mal insgesamt 3 Volumprozent an allen anderen Ver­ unreinigungen enthaltendes Kohlenstoffdioxid zuge­ führt wird, so daß das Abgas frei oder technisch nahezu frei von Stickstoff ist.

Eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Erfin­ dung besteht darin, daß das dem Brennraum zugeführ­ te Kohlenstoffdioxid dem Abgas entnommen wird, was durch die vorangehende Erfindung erst ermöglicht wird, weil das Abgas gerade aufgrund des erfindungs­ gemäßen Verfahrens aus Kohlenstoffdioxid solcher Rein­ heit besteht, wie es die erfindungsgemäße Zufuhr zum Brennraum erfordert.

Es wurde als vorteilhaft erkannt, daß, wenn die Summe der zugeführten Volumina an Sauerstoffstrom und Kohlen­ dioxidstrom gleich 100 Prozent gesetzt wird, der Vo­ lumenanteil an Kohlenstoffdioxid vorzugsweise zwischen 30 und 95 Volumprozent liegt, wobei das Verfahren bei Kohlenwasserstoffen als Brennstoff mehr im unteren Prozentbereich und bei reinem Kohlenstoff als Brenn­ stoff mehr im oberen Prozentbereich geführt wird.

Eine Einbeziehung von erhöhten Volumanteilen anderer Inertgase, wie Edelgase, in das erfindungsgemäße Verfahren ist möglich, bringt aber vorwiegend Nachteile. Insbesondere bringt ein erhöhter Volumanteil von Stick­ stoff, z.B. mit einem Volumanteil, wie er in Luft vor­ liegt, den schwerwiegenden Nachteil, daß sich außer Stickstoffoxiden, die sich mit Stickstoff, der im Brennstoff gebunden ist, bilden, auch zusätzliche Stickstoffoxide durch Reaktion mit dem Luftstickstoff entstehen. Es zeigt sich umgekehrt als besonderer Vor­ teil des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß durch die weitgehend stickstofffreie Verfahrensführung weniger Stickstoffoxide bilden, ja daß nachfolgend beschrie­ benes erfindungsgemäßes durch Verfahren und Anordnung der Zuführung von Kohlenstoffdioxid, entnommen aus dem Abgas mit einer Wirbelschicht etwa im Abgas befindliche Stickstoffoxide sogar beseitigt werden.

Eine besondere Ausgestaltung von Verfahren und Anord­ nung besteht darin, daß Sauerstoff und Kohlenstoffdio­ xid, die erfindungsgemäß zugeführt werden, zur Verbren­ nung zu einer Wirbelschicht gebracht werden, welche den Brennstoff enthält. Diese Anordnung eignet sich insbe­ sondere bei Verwendung von Kohle als Brennstoff. Wenn die Wirbelschicht auch Kalk und/oder Sand enthält, wird ein wichtiger Teil der Schadgase Schwefeloxide und Stick­ stoffoxide schon dort gebunden, so daß sich unter geeig­ neten Bedingungen DeSOX- bzw. DeNOX-Anlagen im Abgasstrom erübrigen.

Andere, an sich bekannte Verfahren zur Verminderung von Schadstoffen im Abgas wie andere Maßnahmen der Feuerungs­ technik, Absorber, Staubabscheider können mit dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren kombiniert werden und sind nicht Gegenstand der Patentansprüche.

Ebenso können an sich bekannte Verfahren und Vorrichtun­ gen zur Auskopplung von Wärmeenergie, wie Fließbett, Wärmerohre, Zwischenerhitzung und/oder an sich bekannte Verfahren und Vorrichtungen zur Erhöhung des elektri­ schen Wirkungsgrads des Kraftwerks, wie kombinierte Gas­ turbinen-Dampfturbinen-Prozesse mit einfacher oder zwei­ facher Zwischenerhitzung vorteilhaft mit dem erfindungs­ gemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Anordnung kombiniert werden.

Der zweite Schwerpunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der Lösung der Aufgabe, das Abgas auf ein kleines Volumen zu bringen und transportfähig zu machen und damit die Abgabe an die Atmosphäre zu vermeiden, wenn das Kraft­ werk nicht an eine Pipeline angeschlossen ist, welche das Abgas zu einer Deponierung ableitet.

Die in den Ansprüchen gekennzeichnete Erfindung löst die Aufgabe dadurch, daß damit das Kohlenstoffdioxid beson­ ders vorteilhaft verflüssigt oder gar in den festen Zu­ stand übergeführt wird.

Die Verknüpfung mit dem ersten Schwerpunkt der Erfindung, die in den Patentansprüchen 1 bis 3 und 6 bezeichnet sind, besteht darin, daß das beim erfindungsgemäßen Verfahren und seinen Anordnungen sich ergebende Abgas nicht, wie bei den bekannten Verfahren, einen Volumanteil von etwa 80 Volumprozent Stickstoff enthält, welcher nach der Ver­ flüssigung des Kohlenstoffdioxids gasförmig übrig bleibt, sondern das Abgas weitgehend nur aus Kohlenstoffdioxid besteht.

Die Verflüssigung des beim erfindungsgemäßen Verfahren entstehenden und dem Brennraum nicht zugeführten Kohlen­ stoffdioxids wird dadurch bewirkt, daß die Kälte von flüssigem Stickstoff mittels Wärmetausch ausgenutzt wird, wobei der dabei in Gasform überführte und erwärmte Sauer­ stoff anschließend als Oxidationsmittel gemäß Anspruch 1 dem Brennraum zugeführt wird. Die Verflüssigung des Koh­ lenstoffdioxids wird auch dadurch bewirkt, daß dieses durch mehrere hintereinander oder teilweise parallel ge­ schaltete Wärmetauscher geführt wird, die auf der anderen Seite von einem mittels Wärmepumpe heruntergekühlten Me­ dium durchströmt werden.

Besonders vorteilhaft ist die Wärmeabführung, wenn sie in hintereinandergeschalteten Wärmetauschern erfolgt, von denen der eine von kaltem Sauerstoff und der nächste von Kältemittel aus einer Wärmepumpe auf dem jeweils thermo­ dynamisch optimalen Temperaturbereich angeströmt wird. Es liegt im Rahmen dieser Erfindung, daß man die Abküh­ lung mittels Wärmepumpen auch ganz oder teilweise durch Abkühlung mittels verflüssigtem oder kaltem Stickstoff ersetzt, wobei allerdings der Stickstoff dann gasförmig aus der Anordnung austritt.

Der Sauerstoff wird beim beschriebenen Verfahren zur Ab­ kühlung des Kohlenstoffdioxids in flüssiger Form einge­ setzt und quillt meist aus einer Luftverflüssigungsanlage.

Der erfindungsgemäßen Anordnung ist als Quelle des Sauer­ stoffs entweder eine Luftzerlegungsanlage nach Linde oder ein Behältnis für flüssigen Sauerstoff zugeordnet. Die Quelle für Sauerstoff ist nicht Gegenstand dieser Erfin­ dung.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im we­ sentlichen darin zu sehen, daß nach Verfahren und Anord­ nung gemäß der Erfindung Verbrennungskraftwerke zur Er­ zeugung elektrischer Energie ohne Emissionen in die At­ mosphäre betrieben werden können, daß je nach Betriebs­ weise Wärmeenergie auf nutzbarem Temperaturniveau ge­ schont wird, insbesondere dadurch, daß auch das Kohlen­ stoffdioxid aus den erfindungsgemäßen Kraftwerken nicht in die Atmosphäre gelangt, so daß befürchtete klimati­ sche Auswirkungen (Treibhauseffekt) mittels dieser Er­ findung vermieden werden und dadurch die Umwelt auf bis­ her nicht erreichbare Weise geschont wird; ferner daß mit Verbrennungskraftwerken nach Verfahren und Anordnung gemäß der Erfindung außer nutzbarer elektrischer und Wärmeenergie auch nutzbare chemische Produkte (tech­ nisch reines Kohlenstoffdioxid, flüssiges oder festes Kohlenstoffdioxid, flüssiger Stickstoff) erzeugt werden.

Das Kohlenstoffdioxid wird beispielsweise benötigt und in Erdöllager hineingebracht, um die Viskosität des Roh­ öls herabzusetzen und die Ausbeute der Erdöllagerstätten von etwa 25 Prozent auf 50 Prozent zu steigern. Es wird auch in geeigneter Weise in Erdöl- oder Erdgas­ lagerstätten gepumpt, um einem Absinken der Geländeober­ fläche als Folge der Förderung entgegenzuwirken. Schließlich kann Kohlenstoffdioxid in geleerten Erdgas-, Erdöl- oder Kohlefeldern deponiert werden, damit das Kohlenstoffdioxid in der Zukunft als gasförmige Rohstoff­ quelle für Kohlenstoff zur Synthese organischer Stoffe genutzt werden kann. Dies wird spätestens der Fall sein, wenn ein Energiesystem mit Wasserstoff aus Sonnenenergie die fossilen Brennstoffe ablöst. Mit Wasserstoff und Koh­ lenstoffdioxid lassen sich in chemischen Prozessen alle Kohlenstoffprodukte (z.B. auch Benzin) herstellen.

Verfahren und Anordnung gemäß der Erfindung sind zugleich erfinderische Weiterführungen und Anordnungen mit neuar­ tigen Aufgabenlösungen der Veröffentlichung von Professor Cesare MARCHETTI, Wien "Constructive solutions to the CO₂-Problem", vorgetragen bei Conference on "Man′s Impact on Climate", Berlin, Juni 1978.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnung näher er­ läutert. In der Zeichnung sind Symbole für die Teile einer Anordnung gemäß der Erfindung dargestellt und in einem Fließschema verbunden.

Einem Brennraum 1 für das Wirbelbett 51 wird mittels Zu­ fuhrstutzen 2 Brennstoff und mittels Zufuhrstutzen 3 Zu­ schläge wie Kalkstein und/oder Sand sowie mittels Zufuhr­ stutzen 5 durch Fördervorrichtung 7 Sauerstoff und mit­ tels Zufuhrstutzen 6 durch Fördervorrichtung 6 Kohlen­ stoffdioxid, welches der Abgasleitung 33 über die Lei­ tung 34 entnommen wird, zugeführt. Das heiße Abgas wird über die Abgasleitung 9 dem Wärmetauscher 10, wel­ cher den Dampferzeuger darstellt, zugeführt und die Wärme auf den geschlossenen Dampfkreislauf übertragen. In der Wärmekraftmaschine 48 wird ein Teil der Wärmeenergie in mechanische Arbeit überführt, die im elektrischen Gene­ rator 49 elektrische Energie erzeugt. Im Kondensor 50 wird restliche Wärmeenergie an ein kühlendes Medium ab­ gegeben. Das Kondensat wird durch die Fördereinrichtung 54 wieder dem Wärmetauscher 10 zugeführt, wodurch der Dampfkreislauf geschlossen ist.

Das abgekühlte Abgas wird durch die Verbindungsleitung 11 einer oder mehreren Reinigungsvorrichtungen 12 zugeführt, wo erforderlichenfalls Stoffe zur Abscheidung von Schad­ stoffen im Abgas zugesetzt werden und Reaktionsprodukte ausgetragen werden. Der von Schadstoffen gereinigte Ab­ gasstrom wird teilweise über 34, 8 und 6 dem Brennraum 1 wieder zugeführt.

Das nicht dem Brennraum 1 zugeführte, von Schadstoffen befreite Abgas wird über Verbindungsleitung 13 dem Wärme­ tauscher 14 zugeführt, wo es von einer Temperatur ober­ halb des Kondensationspunkts etwa mitgeführten Wassers auf eine Temperatur unterhalb des Kondensationspunkts abgekühlt wird. Auf der kalten Seite von 14 wird Wasser so zugeführt, daß dieses beim Ausgang 16 eine nutzbare Temperatur, z.B. 100° C hat.

Das im Abgas etwa mitgeführte, in 14 kondensierte Wasser wird im Abscheider 54 abgeschieden und kontinuierlich oder diskontinuierlich ausgetragen.

Das nunmehr technisch reine Kohlenstoffdioxid wird über die Verbindungsleitung 17 von 53 zum Wärmetauscher 18 geführt, wo es zum Beispiel von +60°C auf -35°C ab­ gekühlt in die Verbindungsleitung 19 austritt. Die Kühlung wird bewerkstelligt durch gasförmigen Sauer­ stoff, welcher durch die Verbindungsleitung 31 eintritt und in die Verbindungsleitung 32 austritt, welche den erwärmten Sauerstoff über 7 und 5 dem Brennraum 1 zuführt.

Durch 19 wird das technisch reine abgekühlte Kohlenstoff­ dioxid dem Wärmetauscher 20 zugeführt, wo es durch weite­ ren Wärmeentzug bis in die Nähe der Kondensationstempe­ ratur abgekühlt wird.

Die entzogene Wärme wird mittels einer Wärmepumpe 22 auf eine gegebenenfalls nutzbare Temperatur, z.B. 100°C angehoben, welche im Wärmetauscher 35 z.B. auf Wasser übertragen wird, welches in der Zulaufleitung 36 kalt eintritt und in die Leitung 37 heiß austritt.

Durch die Verbindungsleitung 21 wird das kalte Kohlen­ stoffdioxid von 20 dem Wärmetauscher 23 zugeführt, wo es durch weiteren Wärmeentzug teilweise oder ganz kon­ densiert wird. Der Wärmeentzug wird durch Sauerstoff bewirkt, der flüssig durch die Verbindungsleitung 30 in 23 eintritt und 23 in der Verbindungsleitung 31 gas­ förmig verläßt.

Das teilweise oder ganz kondensierte Kohlenstoffdioxid gelangt durch die Verbindungsleitung 24 in den Wärme­ tauscher 25, wo es durch weiteren Wärmeentzug vollstän­ dig kondensiert bzw. sublimiert wird.

Die Wärme wird in 25 entzogen durch die Wärmepumpe 25 und im Wärmetauscher 39 auf einen Wärmeträger übertragen, der am Einlaßstutzen 40 kalt eintritt und am Auslaßstutzen 41 erwärmt austritt. Durch die Verbindungsleitung 27 ausge­ tragen wird das flüssige oder feste Kohlenstoffdioxid über­ führt in das Kohlenstoffdioxid-Reservoir 28. Durch die Austragsvorrichtung 29 kann das flüssige oder feste Kohlen­ stoffdioxid aus 28 nach Bedarf entnommen und abtransportiert werden. Fremdgasreste werden durch die Austragsvorrichtung 52 entnommen.

Die Lufttrennanlage 43 trennt die am Eingangsstutzen 44 eintretende Luft mittels Energiezufuhr 45.

Am Ausgangsstutzen 47 werden flüssiger Stickstoff und Edel­ gase entnommen, am Ausgangsstutzen 30 tritt flüssiger, tech­ nisch reiner Sauerstoff in die Verbindungsleitung 30 und wird über 23, 31, 18, 32, 7, 5 als gasförmiger erwärmter Sauerstoff dem Brennraum 1 zugeführt.

Claims (6)

1. Verfahren und Anordnung zum Betrieb eines mit kohlen­ stoffhaltigen Brennstoffen betriebenen stationären Verbrennungskraftwerkes zur elektrischen Energieer­ zeugung, bestehend aus einem mit Brennstoffen beschick­ ten Brennraum, einer im Abgasstrom nachfolgend ange­ ordneten an sich bekannten Abscheideeinrichtung für Verunreinigungen sowie einer Einrichtung zur Erzeu­ gung elektrischer Energie und mit Mitteln zur Zufuhr des Brenngutes zum Brennraum und mit Mitteln zur Ab­ führung von Brennstoffresten aus dem Brennraum, da­ durch gekennzeichnet, daß als Oxidationsmittel nahe­ zu stickstofffreier Sauerstoff und zusätzlich, außer Wasserdampf nicht mehr als maximal insgesamt 3 Vol% an allen anderen Verunreinigungen enthaltendes Koh­ lenstoffdioxid dem Brennraum zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Brennraum zugeführte Kohlenstoffdioxid zumindest teilweise dem Abgas entnommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Anteil an Kohlenstoffdioxid vorzugsweise zwischen 30 und 95 Vol% beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht dem Brennraum zugeführte Kohlenstoff­ dioxid-Anteil des Abgases unter Ausnutzung der Kälte von flüssigem Sauerstoff verflüssigt wird, wobei der dabei in die Gasform überführte Sauerstoff anschlies­ send als Oxidationsmittel gemäß Anspruch 1 dem Brenn­ raum zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verflüssigung des nicht dem Brennraum zuge­ führten Kohlenstoffdioxid-Anteiles in mehreren hinter­ einandergeschalteten Wärmetauschern erfolgt, die wahl­ weise als wärmeabführendes Medium von dem Sauerstoff durchströmt werden oder von einem mittels einer Wärme­ pumpe heruntergekühlten Medium.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff sowie der Sauerstoff und das Kohlen­ stoffdioxid einer Wirbelschicht zugeführt werden.