DE60018103T2 - Verfahren zur verwendung von gas mit geringem gehalt an methan für die treibstoffzufuhr einer gasturbine - Google Patents

Verfahren zur verwendung von gas mit geringem gehalt an methan für die treibstoffzufuhr einer gasturbine Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft die Verbrennung von Erdgas mit geringen Methankonzentrationen, das ohne die Erfindung einen geringen Heizwert für die wirtschaftliche Erzeugung von Energie aus Gasturbinen besitzt. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verbrennung eines Gasgemischs mit einer Methangaskonzentration von nicht mehr als etwa 40 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Gases. Das Gasgemisch schließt Wasserstoffgas ein, um die Brennbarkeit des Gasgemischs zu erhöhen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Derzeit gibt es beträchtliche Methangasreserven mit relativ geringen Methangaskonzentrationen. Viele dieser Reserven haben Methangaskonzentrationen unterhalb von 40 Vol.-%. Derzeit werden Verunreinigungen aus Erdgas entfernt, um Erdgas von Fernleitungsqualität herzustellen, das normalerweise Methankonzentrationen von etwa 95+ bis etwa 99+ Vol.-% aufweist. Ein Erdgas mit einem solch hohen Methangehalt kann dann weiterverarbeitet werden, um zum Befeuern einer Gasturbine Wasserstoff dazuzugeben, wie beispielsweise in der EP 0 351 094 A1 und in der US 4 132 065 A1 gelehrt wird. Um Gasturbinen zur Herstellung von elektrischer Energie zu befeuern, wird es wirtschaftlich unzweckmäßig, Erdgas mit Methankonzentrationen von nicht mehr als etwa 40 Vol.-% Methan in Erdgas von Fernleitungsqualität umzuwandeln, weil die Umwandlung kostenträchtig ist. Außerdem stellt Erdgas mit Methankonzentrationen von nicht mehr als 40 Vol.-% keine zuverlässige Brennstoffquelle für Gasturbinen zur Erzeugung von Energie bereit, weil mit derart geringen Methankonzentrationen ohne spezielle Katalysatoren und ohne speziellen Ausgleich von Sauerstoff durch andere brennbare Ma terialien keine stabile Flamme zur Brennstoffverbrennung bereitgestellt wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung ist auf ein Verfahren zur Befeuerung von Gasturbinen aus Erdgasreserven mit relativ geringen Methankonzentrationen gerichtet. Die Erfindung erlaubt es, dass solche Reserven zum Befeuern von Gasturbinen zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet werden. Wie beschrieben können diese Reserven derzeit nur nach der Entfernung von Verunreinigungen verwendet werden, um einen geeigneten Gasturbinenbrennstoff herzustellen. Wie ebenfalls bereits beschrieben ist die letztgenannte derzeitige Technologie kostenträchtig und bei derzeitigen Erdgaspreisen wirtschaftlich unattraktiv. Das erfindungsgemäße Verfahren kann die Verunreinigungen entfernen, was zum Schutz der Umwelt notwendig ist, lässt Inertgase, wie Kohlendioxid, in dem Brennstoff zurück, um den Massenstrom durch die Gasturbine zu maximieren, und verwendet Wasserstoffgas oder konvertiert gerade genug Methan in Wasserstoffgas, um ein Gasbrennstoffgemisch von Wasserstoff- und Methangas herzustellen, das nicht nur ein akzeptabler Brennstoff für Gasturbinen ist, wobei das Gemisch auch wirksam ist, um für Flammenstabilität zu sorgen (wie dem Gas mindestens 110 BTU pro Standard-ft3 Gas (298 kcal/sm) zu verleihen) und mehr Energie als mit einem Standarderdgas mit etwa 95+ bis etwa 99+ Vol.-% Methan herzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren schließt das Bereitstellen eines Erdgases, das nicht mehr als etwa 40 Vol.-% auf Volumenbasis enthält, und Mischen des Methans des Erdgases mit Wasserstoffgas ein, um an Wasserstoff angereichertes Methan/Wasserstoffgas-Gemisch (das auch als ein an Wasserstoff angereichertes Erdgas bezeichnet werden kann) bereitzustellen, das ausreichend Wasserstoff aufweist, um beim Brennen für eine Flammenstabilität zu sorgen. Danach wird wenn nötig das an Wasserstoff angereicherte Methan/Wasserstoffgas-Gemisch entwässert, um eine ausreichende Menge an Wasser zu entfernen, um ein flammenstabiles, an Wasserstoff angereichertes, entwässertes Methan/Wasserstoffgas-Gemisch bereitzustellen. In einem wichtigen Aspekt hat das an Wasserstoff angereicherte Methan/Wasserstoffgas-Gemisch mindestens etwa 6 Vol.-% Wasserstoff. Das flammenstabile, an Wasserstoff angereicherte, entwässerte Methan/Wasserstoffgas-Gemisch wird dann verwendet, um eine elektrische Energie erzeugende Gasturbine zu befeuern. Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Erhöhung der Leistungsabgabe einer Gasturbine um mindestens etwa 10% wirksam, verglichen mit einer Gasturbine unter Verwendung eines Standarderdgases, das etwa 95 bis 99+ Vol.-% Methan umfasst. In den meisten Fällen kann die Abgabe um mindestens 20 und bis etwa 30% erhöht werden, wobei die letztgenannten Grenzen durch die mechanischen Konstruktionsbegrenzungen der Gasturbine auferlegt werden.
  • In einem wichtigen Aspekt wird ein Teil des Methans aus Erdgas katalytisch in Wasserstoff umgewandelt oder zu Wasserstoff reformiert, welches dann das an Wasserstoff angereicherte Methan/Wasserstoffgas-Gemisch bildet. Die Reaktionen, die zu dieser Umwandlung führen, schließen ein: CH4 + CO2 → 2CO + 2H2 CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2
  • In einem weiteren wichtigen Aspekt werden vor der Umwandlungsreaktion Schwefelwasserstoff und andere Säurekomponenten wie COS, RSH und RSSR unter Verwendung eines physikalischen Lösungsmittels aus dem Erdgas entfernt, um ein süßes Erdgas bereitzustellen. Ein physikalisches Lösungsmittel entfernt Schwefelwasserstoff und andere Säuregase selektiv, minimiert jedoch die Entfernung von Kohlendioxid und anderen inerten Gasen wie Helium, Argon und Stickstoff. In diesem Aspekt ist das physikalische Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Gemisch von Diethylethern von Polyethylenglykol (Molekulargewicht etwa 280), Propylencarbonat (Kp 240°C), N-Methyl-2-pyrrolidon (Kp 202°C), Gemisch von Oligoethylenglykolmethylisopropylethern (Kp 320°C), Tri-n-butylphosphonat (Kp 180°C bei 30 mm Hg) und Methylcyanoacetat (Kp 202°C). Das süße Erdgas wird mit ausreichend Wasser gemischt, um eine ausreichende Herstellung von Wasserstoff aus dem Methan zu erlauben, um Flammenstabilität oder einen BTU/Scf-Wert von mindestens etwa 110 (298 kcal/sm) zu erreichen. In diesem Aspekt ist es wichtig, dass der Schwefelwasserstoff und andere Säuregase vor dem Reformieren eines Teils des Methans zu Wasserstoff entfernt werden, weil die Reformierung eine katalysierte Reaktion ist, bei der der Katalysator durch das Schwefelwasserstoffgas und andere Säuregase vergiftet werden kann. Katalysatoren, die gegenüber den Säurebedingungen empfindlich sind und die in diesem Aspekt der Erfindung verwendet werden können, sind die Katalysatoren des C11 Series von United Catalyst Inc., R67 (von Haldor Topsoe) und G1-25 (von BASF) (alle Marken sind Eigentum der jeweiligen Markeninhaber). Hochtemperatur-"Konvertierungskatalysatoren" für süßes Erdgas sind im Allgemeinen Eisen, Chrom und Kupfer. Tieftempe ratur-"Konvertierungskatalysatoren" für süßes Erdgas sind im Allgemeinen aus Kupfer, Zink und Aluminium hergestellt.
  • In einem weiteren wichtigen Aspekt wird die Reformierungsreaktion unter Säure- oder sauren (mit einem hohen Anteil an Schwefelverbindungen) Bedingungen unter Verwendung von Katalysatoren wie Katalysator C25 Series (von United Catalyst Inc.), Katalysator K8-11 (von BASF) und Katalysator SSK (von Haldor Topsoe) durchgeführt. Im Allgemeinen sind diese Katalysatoren Chrom-Molybdän-Katalysatoren. In diesem Aspekt der Erfindung werden das saure Erdgas und Wasser gemischt, wobei das Wasser in einer Menge ist, die zu einem Methangas/Wasser-Gemisch führt, das Formieren (Bilden) oder Reformieren von ausreichend Wasserstoffgas erlaubt, um eine Flammenstabilität für das an Wasserstoff reiche Methan/Wasserstoffgas-Gemisch bereitzustellen, das nicht mehr als 40 Vol.-% Methan aufweist.
  • In einem weiteren Aspekt können die Erdgasreserven so wenig wie 35, 25 oder sogar weniger als 20 Vol.-% Methan aufweisen und trotzdem mehr Leistung bereitstellen als Methan von Fernleitungsqualität. Bei der Durchführung der Erfindung sollte ausreichend Methan in Wasserstoff umgewandelt werden, um ein Methan/Wasserstoffgas-Gemisch mit mindestens 6 Vol.-% und vorzugsweise etwa 6 bis etwa 10 Vol.-% Wasserstoff herzustellen. Dies produziert ein an Wasserstoff angereichertes Methan/Wasserstoffgas-Gemisch mit Flammenstabilität, das zum Befeuern von Gasturbinen zur Erzeugung von elektrischer Energie sehr wirksam ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulichendes Fließschema.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Bezug nehmend auf 1 wird Erdgas mit einer Methankonzentration von nicht mehr als etwa 40 Vol.-% von der Quelle bewegt und mit einem physikalischen Lösungsmittel wie Methanol, Gemisch von Dimethylethern von Polyethylenglykol, Propylencarbonat, N-Methyl-2-pyrrolidon, Gemisch von Oligoethylenglykolmethylisopropylethern, Tri-n-butylphosphonat und Methylcyanoacetat behandelt, um Schwefelwasserstoffgas und andere saure Gaskomponenten ohne Entfernung von Inertgasen zu entfernen, um ein süßes Erdgas mit nicht mehr als etwa 40 Vol.-% Methan bereitzustellen. Das süße Erdgas wird dann durch Leitung 1 zu Zinkoxidschutzbett 2 gefördert, um die Emissionen von Schwefelwasserstoffgas zu verhindern. Das süße Erdgas wird aus dem Zinkoxidbett gefördert und mit Wasser in Leitung 3 gemischt, um ein Methangas/Wasser-Gemisch bereitzustellen. Das Gas/Wasser-Gemisch wird bei etwa 70°F (21°C) und bei etwa 355 psig (2,55 × 103 kPa) in Leitung 3 zu Einsatzmaterialausflusswärmetauscher 4 gefördert, in dem die Temperatur des süßes Erdgas/Wasser-Gemischs auf etwa 800°F (427°C) erhöht wird. Es wird ausreichend Wasser mit dem Erdgas gemischt, um eine ausreichende Umwandlung in Wasserstoff zu ermöglichen, um an Wasserstoff angereichertem, entwässertem Methan/Wasserstoffgas-Gemisch Flammenstabilität zu verleihen, wenn es zur Erzeugung von Energie in, den Gasturbinengenerator geführt wird. Nachdem das süße Erdgas mit Wasser gemischt und in dem Einsatzmaterialausflusstauscher erhitzt wurde, wird das erhitzte süße Erdgas/Wasser-Gemisch über Leitung 5 bei etwa 350 psig (24,3 kg/scm) und etwa 800°F (427°C) in eine Wärmegewinnungsdampfgeneratorspirale (heat recovery steam generator coil, HRSG coil) gefördert, um die Temperatur des süßen Erdgas/Wasser-Gemischs weiter zu erhöhen und ein heißes Süßgas/Wasser-Gemisch mit einer Temperatur von etwa 950°F (510°C) in Leitung 3 bereitzustellen. Das heiße Süßgas/Wasser-Gemisch wird dann über Leitung 7 zur Umwandlung eines Teils des Methan in dem Süßgas/Wasser-Gemisch in ein an Wasserstoff angereichertes Methan/Wasserstoffgas/Wasser-Gemisch in Reformierreaktionskammer 8 bei etwa 340 psig (23,9 kg/scm) gefördert. Das Methan in dem Süßgas/Wasser-Gemisch durchläuft eine katalysierte Reaktion unter Umwandlung von Methan mit Wasser und stellt Wasserstoffgas mit mindestens etwa 700°F (371°C) und vorzugsweise etwa 900°F (482°C) bis etwa 950°F (510°C) und etwa 340 psig (23,9 kg/scm) her. Höhere Temperaturen erleichtern die Umwandlung, während höhere Drücke die Umwandlung nachteilig beeinflussen. Der Druck sollte 1500 psig (105,5 kg/scm) nicht übersteigen. Nach Umwandlung von ausreichend Methan in Wasserstoff, um nach Entwässern (nachfolgend beschrieben) mindestens etwa 6 Vol.-% Wasserstoff in dem Gas bereitzustellen, wird das an Wasserstoff angereicherte Methan/Wasserstoffgas/Wasser-Gemisch über Leitung 9 mit etwa 855°F (457°C) und 335 psig (23,6 kg/scm) zurück in den Einsatzmaterialausflusstauscher gefördert, um dem in den Einsatzmaterialausflusstauscher eintretenden Wasser und Methangas Wärme zuzuführen. Nach Verminderung der Temperatur des an Wasserstoff angereicherten Methan/Wasserstoffgas/Wasser-Gemischs wird dieses über Leitung 10 in Entwässerungsscheidertrommel (Knockout-Trommel, KO-Trommel) 12 gefördert, um den Wasserge halt des an Wasserstoff angereicherten Methan/Wasserstoffgas-Gemischs zu vermindern. Der Taupunkt wird in der KO-Trommel gesenkt, um Wasser zu kondensieren und von dem Gas abzutrennen. Es wird ausreichend Wasser entfernt, um eine Flammenstabilität zu erlauben und dem Gas mindestens etwa 110 BTU je Standard-ft3 Gas (298 Kcal/sm) zu verleihen. Im Allgemeinen werden etwa 97 bis etwa 99 oder mehr Gewichtsprozent des Wassers aus dem Gas entfernt. Das aus dem Entwässern des an Wasserstoff angereicherten Methan/Wasserstoffgas/Wasser-Gemischs stammende Wasser wird von der KO-Trommel 12 durch Leitung 14 unter Verwendung von Kondensatpumpe 16 entfernt und wird über Leitung 18 mit etwa 100°F (38°C) bei etwa 500 psig (35,2 kg/scm) zurück in den Einsatzmaterialausflusstauscher 4 gefördert. Das entwässerte, an Wasserstoff angereicherte Methan/Wasserstoffgas-Gemisch, das jetzt mindestens 6 Vol.-% Wasserstoff oder ausreichend Wasserstoffgas, um Flammenstabilität bereitzustellen, hat, wird von der KO-Trommel über Leitung 20 bei etwa 100°F (38°C) bei etwa 325 psig (22,8 kg/scm) in einen Gasturbinengenerator eingespeist. Dort hat das Gas mindestens etwa 110 BTU je Standard-ft3 Gas (298 Kcal/sm) und liefert eine stabile Flamme für den Gasturbinengenerator.
  • Das gleiche Verfahren kann bei Einsatz eines sauren Erdgases unter Verwendung eines Katalysators, der gegenüber den Säuregasen in dem Erdgas nicht empfindlich oder durch sie vergiftet wird, verwendet werden. Um das Verfahren umweltverträglich zu halten, sollte jedoch mindestens etwas von den Säuregasen, wie H2S, zumindest teilweise entfernt werden.
  • In einer nicht in den Zeichnungen gezeigten weiteren Ausführungsform kann die durch das entwässerte, an Wasserstoff angereicherte Methan/Wasserstoffgas-Gemisch erzeugte Leistung durch Injektion von Inertgasen erhöht werden, um die durch den Gasturbinengenerator strömende Masse zu erhöhen. In diesem Aspekt muss die als Brennstoff zugeführte Gesamtmenge an Gas weiterhin Flammenstabilität haben und mindestens etwa 110 BTU/Scf (298 kcal/sm) haben. Im Allgemeinen werden die Inertgase injiziert, nachdem das an Wasserstoff angereicherte Methangas-Gemisch in der Turbine verbrannt wurde, jedoch bevor das heiße Gas in den Entspannungsraum der Turbine eintritt. In Abhängigkeit von der Menge an Wasserstoffgas, die in dem Methangasgemisch ist, kann die Leistungsabgabe der Turbine um etwa 0,5 bis etwa 9% erhöht werden. Die Leistungserhöhung ist etwa gleich der prozentualen Massenströmungserhöhung durch den Entspannungsraum der Turbine.
  • Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel veranschaulicht.
  • BEISPIEL I
    Figure 00090001
  • Figure 00100001

Claims (17)

  1. Verfahren zum Befeuern einer Gasturbine mit Methan aus Erdgasreserven, bei dem: Erdgas und Wasserstoffgas gemischt werden, um ein an Wasserstoff angereichertes Methangasgemisch bereitzustellen, wobei das an Wasserstoff angereicherte Methangasgemisch mindestens 6 Vol-% des Wasserstoffgases enthält, und eine Gasturbine mit dem an Wasserstoff angereicherten Methangasgemisch befeuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Erdgas aus der Erdgasreserve nicht mehr als 40 Vol.-% Methangas aufweist.
  2. Verfahren zum Befeuern einer Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erdgas weniger als 35 Vol.-% Methan aufweist und das an Wasserstoff angereicherte Methangasgemisch 6 bis 10 Gew.-% Wasserstoffgas aufweist.
  3. Verfahren zum Befeuern einer Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erdgas weniger als 20 Vol.-% Methan aufweist.
  4. Verfahren zum Befeuern einer Gasturbine nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch: Entfernen mindestens einer Säurekomponente aus dem Erdgas, um süßes Erdgas bereitzustellen, wobei das Mischen von Erdgas und Wasserstoffgas einschließt: Mischen des süßen Erdgases mit Wasser, um wasserhaltiges süßes Erdgas bereitzustellen, katalytisches Umwandeln eines Teils des Methans in Wasserstoffgas in dem wasserhaltigen, süßen Erdgas, um wasserhaltiges, an Wasserstoff angereichertes Erdgas bereitzustellen, Entwässern des wasserhaltigen, an Wasserstoff angereicherten Erdgases, um flammenstabiles, entwässertes, an Wasserstoff angereichertes Erdgas bereitzustellen, und Befeuern einer Gasturbine einschließlich Befeuern der Gasturbine mit dem entwässerten, an Wasserstoff angereicherten Erdgas.
  5. Verfahren zum Befeuern einer Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen der Säurekomponente aus dem Erdgas das Entfernen von Schwefelwasserstoff aus dem Erdgas einschließt.
  6. Verfahren zum Befeuern einer Gasturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwefelwasserstoff aus dem Erdgas mit einem physikalischen Lösungsmittel entfernt wird, während die Entfernung von jedwedem Inertgas minimiert wird.
  7. Verfahren zum Befeuern einer Gasturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das physikalische Lösungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Gemisch von Dimethylethern von Polyethylenglykol, Propylencarbonat, N-Methyl-2-pyrrolidon, Gemisch von Oligoethylenglykolmethylisopropylethern, Tri-n-butylphosphonat, Methylcyanoacetat und Mischungen davon.
  8. Verfahren zum Befeuern einer Gasturbine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das entwässerte, wasserstoffreiche Erdgas mindestens 6 Vol.-% Wasserstoffgas enthält.
  9. Verfahren zum Befeuern einer Gasturbine nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Methan in dem wasserhaltigen süßen Erdgas katalytisch unter Verwendung eines Konvertierungskatalysators ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisen/Chrom/Kupfer, Kupfer/Zink/Aluminium und Mischungen davon umgewandelt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Erdgas nicht mehr als 35 Vol.-% Methan aufweist und das entwässerte, an Wasserstoff angereicherte Erdgas 6 bis 10 Vol.-% Wasserstoffgas enthält.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Erdgas nicht mehr als 20 Vol.-% Methangas aufweist.
  12. Verfahren zum Befeuern einer Gasturbine mit Methan aus Erdgasreserven nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: saures Erdgas und Wasser gemischt werden, um ein wasserhaltiges, saures Erdgas bereitzustellen, und wobei das Mischen von Erdgas und Wasserstoffgas ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass: ein Teil des Methans in dem wasserhaltigen, sauren Erdgas katalytisch in Wasserstoff umgewandelt wird, um ein wasserhaltiges, an Wasserstoff angereichertes Erdgas bereitzustellen, wasserhaltiges, an Wasserstoff angereichertes Erdgases entwässert wird, um flammenstabiles, entwässertes, an Wasserstoff angereichertes Erdgas bereitzustellen, und wobei das Befeuern einer Gasturbine ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass die Gasturbine mit dem entwässerten, an Wasserstoff angereicherten Erdgas befeuert wird.
  13. Verfahren zum Befeuern einer Gasturbine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserhaltige, an Wasserstoff angereicherte Erdgas mindestens 6 Vol.-% Wasserstoffgas umfasst.
  14. Verfahren zum Befeuern einer Gasturbine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Methan in dem wasserhaltigen sauren Erdgas unter Verwendung eines Chrom/Molybdän-Katalysators katalytisch umgewandelt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Erdgas nicht mehr als 35 Vol.-% Methangas aufweist und das entwässerte, an Wasserstoff angereicherte Erdgas 6 bis 10 Vol.-% Wasserstoffgas umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Erdgas nicht mehr als 20 Vol.-% Methangas aufweist.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Inertgas mit dem entwässerten, an Wasserstoff angereicherten Erdgas in die Turbine injiziert wird.
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