DE3643401A1

DE3643401A1 - Verfahren und vorrichtung eines abgasfreien kondensations-kraftwerks

Info

Publication number: DE3643401A1
Application number: DE19863643401
Authority: DE
Inventors: Artur Richard Greul
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-12-19
Filing date: 1986-12-19
Publication date: 1988-06-30

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für ein ab gasfreies Kondensations-Kraftwerk, das unter An wendung zum Teil bekannter Verfahrensschritte be sonders umweltfreundlich ist, sowie einer Vorrich tung zur Durchführung des Verfahrens.

Die bisher bekannte Form des mit fossilen Brenn stoffen befeuerten Kondensations-Kraftwerks hat sich im Laufe der Jahrzehnte seiner Entwicklung, sowie im Zug seiner Anpassung im Bezug auf Um weltfreundlichkeit, immer mehr zu einer chemischen Fabrik entwickelt, ohne letztlich alle Gefahren für die Umwelt zu beseitigen. Eine der Hauptgefah renquellen für unser Klima, der Ausstoß von Kohlen dioxidgas konnte überhaupt nicht beseitigt werden. Auf der anderen Seite kann auf diese Kraftwerke hauptsächlich mit Braun- oder Steinkohle befeuerte, nicht verzichtet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren für ein abgasfreies, mit Gasen, auch aus fossilen bzw. kohlen stoffhaltigen Brennstoffen, befeuertes Kraftwerk auf zuzeigen. Erfindungsgemäß ist das Verfahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

Verdichtung vorzugsweise einer Kohlendioxid-Atmo sphäre, welche im Kreis geführt wird, mit mindestens einem Gebläse oder Verdichter durch welches/welchen dieses Kohlendioxidgas in eine Mischkammer befördert wird. Einbringen eines schadstoffreien Brenngases in eine, in der Mischkammer angeordneten Brennkammer, wobei dem Brenngas im Brennkammereinlaß über Düsen in einem Düsenringrohr flüssiger Sauerstoff, der zu Kühlzwecken über einen Sauerstoffverteiler und einem Röhrchensystem oder einer Doppelwandung, das oder die, auf bekannte Weise, eine Brennkammer mit Düse bilden, zugeführt wird. Vollständige Verbrennung des Brenngases bei Temperaturen zwischen 3000 und 4500°C, je nach Gaszusammensetzung. Durchströmung der Brennkammer und Düse und anschließende homogene Ver mischung mit dem an der Außenwand strömenden Kohlen dioxidgas, Aufheizung desselben durch die Mischung mit den Verbrennungsgasen zu einem Gesamt-Gasstrom. Einleitung des Gesamt-Gasstroms in einen druckge feuerten Dampfkessel und Wärmeabgabe an die Kessel heizfläche Weiterführung des Gasstroms nach Wärme abgabe zumindestens einer Gasturbine und Entspannung des Gases. Speisewasservorwämrung mit den Abgasen der Gasturbine. Weitere Abkühlung der Abgase und Kondensa tion des durch die Verbrennung entstandenen Wassers und Abführung desselben. Abtrennung und Verflüssigung des erzeugten, und überschüssigen Kohlendioxidgases mit flüssigem Sauerstoff aus der Luftzerlegungsanlage. Vorkühlung des Kreislauf-Kohlendioxids mit Stickstoff und erneute Zuführung zu mindestens einem Gebläse oder Verdichter.

Das Verfahren zeichnet ein kalorisches Kraftwerk auf, das mit Gas vorzugsweise einem aus Kohle oder kohlenstoffhaltigen Stoffen erzeugten Brenngas, welches in einem Schmelzvergaser (DP 36 08 150), durch Vergasung im Eisenbad oder einer anderen Ver gasungsmethode erzeugt und das nur noch wenige Ver unreinigungen aufweist, betrieben wird. Es liegt im Sinn der Sache, daß auch Erdgas eingesetzt werden kann. Das Kraftwerk ist umweltneutral und erzeugt als Koppelproodukt flüssiges Kohlendioxid. Bekannt ist, daß fossilbefeuerte, kalorische Kraftwerke mehr und mehr als umweltbelastend angesehen werden, denn deren Abgase enthalten ca. 14% Kohlendioxid, das aber nur schwer gewinnbar ist. In den nächsten 50 Jahren werden aber für die Tertiärförderung von Erd öl durch Kohlendioxid-Flutverfahren millionen Tonnen flüssiges Kohlendioxid benötigt.

Dieses Verfahren zur Stromerzeugung setzt sich eng verzahnt aus einem Joule-Prozeß einem primär sowie einem sekundär Clausius-Rankine-Prozeß sowie ggf. einem zusätzlichen MHD-Prozeß zusammen, wobei letzterer, da seine Entwicklung noch nicht soweit fortgeschritten ist, als Nachrüstung eingeplant wer den kann.

Das Kraftwerk fällt in seiner Dimensionierung be deutend kleiner aus, da der gesamte Anhang: Ent stickung, Entstaubung, Entschwefelung sowie Kamin entfallen, denn durch die beiden erstgenannten Ver gasungsarten fällt ein fast schadstoffreies Misch gas CO und H₂ an, das nur geringer Nachbehandlung bedarf. Ein weiterer Vorteil im Kohlendioxid-Kreis lauf liegt im höheren Massendurchsatz durch die Tur bine/nen. Es ist natürlich durchaus möglich, anstelle von Kohlendioxid auch ein anderes Inertgas einzusetzen, wie zum Beispiel Helium etc.

Auch die Anwendung des Zweistoffprozesses ist hier ge rechtfertigt, da als zweite Wärmequelle, außer der Niederdruckstufe des Dampfprozesses, das aus der Speise wasservorwärmung austretende Kohlendioxidgas zur Verfü gung steht.

Durch die Tiefe der Abkühlung des Kreislaufgases, vor dem Gebläse oder Verdichter, mit Stickstoff aus der Luftzerlegungsanlage kann man den thermodynamischen Wirkungsgrad steuern und erhöhen. Eine Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, zeichnet sich durch folgende Komponenten aus:

In einer rohrförmigen Mischkammer, die mit mindestens einer Kohlendioxidgas-Zuleitung ausgestattet ist, eine Brennkammer mit anschließender Düse angeordnet sind, und die am Düsenausgang einen Sauerstoffverteiler auf weist, welcher mit einer Flüssigsauerstoff-Zuleitung gekoppelt ist. Der Sauerstoffverteiler stromabwärts durch ein Röhrchensystem oder eine Doppelwandung, die die Düse und die Brennkammer bilden, mit einem Düsen ringrohr verbunden ist, das, mit Düsen zum Inneren besetzt, den Brennkammeranfang bildet und dieses Düsen ringrohr gleichzeitig das Ende des Zuleitungsrohrs des Brenngases ist. Die Form des Düsenmantels einer Lavall düse entsprechen kann, deren Unterteil in tiefen Wel len nach oberen in der vertikalen zur Düse schräg ver läuft.

Anhand des Fließschemas, sowie der Zeichnungen soll das Verfahren, sowie die Vorrichtung verdeutlicht werden.

Fig. 1 - Fließschema.

Fig. 2 - Vertikalschnitt durch Mischkammer mit Brennkammer und Düse.

Fig. 3 - Horizontalschnittlinie A durch die Düse.

Über ein Gebläse oder ein Verdichter 17 wird CO₂-Gas, welches im Kreis 16 geführt wird, über Leitung 2 einer Mischkammer 1 zugeführt. In der Mischkammer 1 ist eine Brennkammer 3 mit Düse 4 angeordnet. Über Lei tung 12 wird durch einen nicht dargestellten Verdich ter Brenngas in die Brennkammer 3 gedrückt. Über eine nicht dargestellte Pumpe wird flüssiger Sauerstoff von der Luftzerlegungsanlage 24 über Leitung 6, Sauerstoff verteiler 5 und Röhrchensystem 7 oder Doppelwandung 14 in das Düsenringrohr 8, durch Düsen 9 im Brennkammeran fang 10 in das Brenngas eingedrückt. Die, durch die ablaufende Verbrennung entstehenden Brenngase, erhal ten durch die schräg zur Vertikalen der Düse verlau fenden Wellen 13 im Düsenmantel 11 einen Dralleffekt und vermischen sich mit dem CO₂, welches an der Außen wand der Düse 4 vorbeiströmt, was durch nicht darge stellte Leitbleche in der Verwirbelkammer 15 unter stützt wird. Die überhitzten Gase strömen unter hohem Druck in den druckgefeuerten Dampferzeuger 18 und ge ben ihre fühlbare Wärme ab. Nach Wärmeabgabe an die Heizflächen des Dampferzeugers, strömen die Gase in mindestens eine Gasturbine 19,wo sie entspannt werden. Über einen Speisewasservorwärmer 20 gelangen sie zu einem Kondensator 21, der auch durch einen sekundär Clausius-Rankine-Prozeß 28 ersetzt oder ein Wärme tauscher für einen Heizkreislauf sein kann. Das bei der Verbrennung entstandene und kondensierte Wasser wird über Leitung 22 abgeführt. Das erzeugte, über schüssige CO₂ wird mit flüssigem Stickstoff im Ver flüssiger 23 verflüssigt und einem Verbrauch zuge führt. Ein anderer Teil des Stickstoffs wird zur Ab kühlung 25 des CO₂-Kreislaufgases verwandt. Über Verdichter 26 wird die Luftzerlegungsanlage bedient und über Abgang 27 evtl. überschüssiger Stickstoff abgeführt.

Claims

1. Verfahren eines abgasfreien Kondensations-Kraft werks, gekennzeichnet durch folgen de Verfahrensschritte:

- Verdichtung vorzugsweise einer Kohlendioxid-Atmo sphäre, welche im Kreis geführt wird, mit min destens einem Gebläse oder Verdichter durch welches/welchen dieses Kohlendioxid in eine Mischkammer befördert wird,
- einbringen eines schadstoffreien Brenngases in eine, in der Mischkammer angeordneten Brennkam mer, wobei dem Brenngas im Brennkammereinlaß, über Düsen in einem Düsenringrohr flüssiger Sauerstoff, der zu Kühlzwecken über einen Sauer stoffverteiler und einem Röhrchensystem oder einer Doppelwandung, das oder die, auf bekannte Weise eine Brennkammer mit Düse bilden, zuge führt wird,
- vollständige Verbrennung des Brenngases bei Temperaturen zwischen 3000 und 4500°C, je nach Gaszusammensetzung,
- Durchströmung der Brennkammer und Düse und an schließende homogene Vermischung mit dem an der Außenwand strömenden Kohlendioxidgas, Aufheizung desselben durch die Mischung mit den Verbren nungsgasen zu einem Gesamt-Gasstrom,
- Einleitung des Gesamt-Gasstroms in einen druckgefeuerten Dampfkessel und Wärmeabgabe an die Kesselheizfläche,
- Weiterführung des Gasstroms nach Wärmeabgabe zumindest einer Gasturbine und Entspannung des Gases,
- Speisewasservorwärmung mit den Abgasen der Gasturbine,
- weitere Abkühlung der Abgase und Kondensation des durch die Verbrennung entstandenen Wassers und Abführung desselben,
- Abtrennung und Verflüssigung des erzeugten, und überschüssigen Kohlendioxidgases mit flüssigem Stickstoff aus der Luftzerlegungsanlage,
- Vorkühlung des Kreislauf-Kohlendioxids mit Stickstoff und erneute Zuführung zu mindestens einem Gebläse oder Verdichter.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das erzeugte flüssige Koh lendioxid einer Verwendung zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß an der Brennkammer bzw. Düsenwand ein MHD-Generator (magnetohydrodyna mischer G.) angeordnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Niederdruckstufe des Kondensations-Kraftwerks entfällt und der Dampf, mit den Kohlendioxidgasen hinter der Speisewas servorwärmung zur Beheizung eines sekundär Clausius-Rankine-Prozesses herangezogen werden, was auch getrennt mit nur einer der Wärmequellen durchgeführt werden kann.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Restwärme im Kohlen dioxidgas, hinter der Speisewasservorwärmung, ggf. mit der Kondensationswärme der Niederdruck stufe einen Wärmekreislauf beheizt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß mehrere Mischkammern mit Brennkammern etc. neben- oder übereinander an geordnet und mehrere Kohlendioxid-Kreisläufe vorhanden sind, so daß auch eine Modulbauweise möglich ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Brenngas bzw. der Oxy dator mit einem Verdichter ggf. einer Pumpe (Turbopumpe) eingebracht werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß statt Kohlendioxid auch ein anderes Kreislaufmedium verwandt werden kann.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß

a) in einer rohrförmigen Mischkammer (1), die mit mindestens einer Kohlendioxidgas-Zulei tung (2) ausgestattet ist, eine Brennkam mer (3) mit anschließender Düse (4) ange ordnet sind, und die am Düsenausgang einen Sauerstoffverteiler (5) aufweist, welcher mit einer Flüssigsauerstoff-Zuleitung (6) gekoppelt ist. Der Sauerstoffverteiler (5) stromabwärts durch ein Röhrchensystem (7) oder eine Doppelwandung (14), die die Düse (4) und die Brennkammer (3) bilden, mit einem Düsenringrohr (8) verbunden ist, das, mit Düsen (9) zum Inneren besetzt, den Brenn kammeranfang (10) bildet und dieses Düsen ringrohr (8) gleichzeitig das Ende des Zu leitungsrohrs (12) des Brenngases ist,
b) die Form des Düsenmantels (11) einer Lavall düse entsprechen kann, deren Unterteil in tiefen Wellen (13) ausgebildet und das Aus laufen der Wellen nach oben in der verti kalen zur Düse schräg verläuft.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß im Unterteil der Mischkammer ab dem Ende der Düse, Leitbleche angeordnet sind, so daß eine Verwirbelkammer (15) entsteht.