DE60119916T2 - Verfahren und vorrichtung zur energieerzeugung - Google Patents

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Air Liquide SA
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stromerzeugung. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stromerzeugung, bei denen eine Luftzerlegungsanlage eine mit Stickstoff angereicherte Gasmenge stromaufwärts zu einem Druckminderungsgerät geschickt wird, das Strom erzeugt, wobei der Druck von Verbrennungsgasen gemindert wird.
  • Verschiedene Schemata wurden vorgeschlagen, um die Gasturbinen und die Luftzerlegungsanlagen durch kryogene Destillation zu integrieren, insbesondere im Rahmen der IGCC und der Luftzerlegungsanlagen durch kryogene Destillation, die mit Hochdruck funktionieren.
  • Typischerweise wird, wie in US-A-4224045 beschrieben, Luft am Luftkompressor der Gasturbine entnommen, um mindestens teilweise die Luftzerlegungsanlage zu speisen, die im Gegenzug Stickstoff entweder in den für die Verbrennungskammer bestimmten Brennstoff oder stromaufwärts zum Druckminderungsgerät der Turbine schickt.
  • In US-A-4382366, welches Dokument den nächsten Stand der Technik darstellt, wird die gesamte in einem mit einer Gasturbine gekoppelten Kompressor verdichtete Luft an eine einfache Säule geschickt. Die Verbrennungskammer wird mit Treibstoff und unreinem Stickstoff gespeist, der von den reversiblen Austauschern der Luftzerlegungsanlage kommt.
  • EP-A-0465193 beschreibt ein Verfahren, bei dem der mit dem Druckminderungsgerät gekoppelte Kompressor keine Luft an die Luftzerlegungsanlage schickt.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Ausführung der Verbrennungskammer zu vereinfachen.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Produktion der NOx durch die Gasturbine zu verringern.
  • Nach einem Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 1 vorgesehen.
  • Da somit die gesamte Luft des Kompressors der Gasturbine an die Luftzerlegungsanlage geschickt wird, wird die Verbrennungskammer vereinfacht.
  • Die Verbrennung mit dem Sauerstoff, der in einer Gasmenge der mit Stickstoff angereicherten Luft enthalten ist, die von der Luftzerlegungsanlage kommt, ermöglicht eine sehr geringe Produktion von NOx.
  • Nach weiteren fakultativen Aspekten der Erfindung:
    • – wird die Luft des Kompressors an die Luftzerlegungsanlage geschickt;
    • – wird ein Teil der Luft des Kompressors an die Luftzerlegungsanlage geschickt, und der Rest der in dem Kompressor verdichteten Luft dient dazu, mindestens ein anderes Element des Geräts als die Verbrennungskammer zu kühlen;
    • – die an die Luftzerlegungsanlage geschickte Luft kommt vom Kompressor;
    • – ein Teil der an die Luftzerlegungsanlage geschickten Luft kommt von einem Zusatzkompressor oder einer Druckluftquelle;
    • – die Luft des Zusatzkompressors wird mit mindestens einem Teil des mit Stickstoff angereicherten Gases gemischt, bevor sie an die Verbrennungskammer geschickt wird;
    • – mindestens ein Teil des mit Sauerstoff angereicherten Gases wird geschickt, um die Vergasung eines Brennstoffes, der Kohlenstoff enthält, durchzuführen, um eine Brennstoffmenge zu erzeugen;
    • – das mit Stickstoff angereicherte Gas enthält mindestens 5 Mol-% und höchstens 18 Mol-% Sauer stoff;
    • – das mit Stickstoff angereicherte Gas enthält weniger als 5 Mol-% Sauerstoff;
    • – die Luft wird vom Kompressor bis auf zwischen 8 und 20 bar verdichtet.
  • Nach einem weiteren Gegenstand der Erfindung ist eine Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 11 vorgesehen.
  • Nach einem optionalen Aspekt sind ein Vergaser, Mittel, um ein mit Sauerstoff angereichertes Gas von der Luftzerlegungsanlage an den Vergaser zu schicken, und Mittel, um Brennstoff vom Vergaser an die Verbrennungskammer zu schicken, vorgesehen.
  • Um die Funktion der Verbrennungskammer zu optimieren, kann der Brennstoff eine Mischung aus Reststickstoff einer ASU und zusätzlicher Luft sein, um den Sauerstoffgehalt zu kontrollieren.
  • Die Erfindung ist nun im Detail unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
  • 1 ist ein Schema einer erfindungsgemäßen Stromerzeugungsanlage.
  • 2 ist ein Schema einer Luftzerlegungsanlage (ASU), die typischerweise in einer Stromerzeugungsanlage wie jener aus 1 dienen kann.
  • In 1 verdichtet ein mit einem Druckminderungsgerät 3 gekoppelter Kompressor 1 Luft auf einen Druck zwischen 8 und 20 bar.
  • Diese gesamte Luft wird gekühlt, gereinigt und an eine Luftzerlegungsanlage durch kryogene Destillation 5 geschickt, die eine Menge von gasförmigem oder flüssigem Sauerstoff 7, eine Menge von gasförmigem oder flüssigem Stickstoff 9 und eine Menge von gasförmigem Reststickstoff 11 erzeugt, der 91 Mol-% Stickstoff und 9 Mol-% Sauerstoff mit zwischen 3 und 11 bar enthält. Der Reststickstoff wird wieder auf Raumtemperatur erwärmt und in einem Kompressor 13 auf einen Druck zwischen 8 und 30 bar verdichtet.
  • Als Variante kann die Luftzerlegungsanlage die Luft durch Permeation oder Adsorption zerlegen.
  • Mindestens ein Teil des verdichteten gasförmigen Stickstoffes 15 wird mit einer Menge an Erdgas 17 an eine Verbrennungskammer 19 geschickt. Der in dem gasförmigen Stickstoff enthaltene Sauerstoff dient als Treibstoff.
  • Eine Luftmenge 25 mit einem Druck zwischen 8 und 30 bar, die von einem Zusatzkompressor 21 oder einer anderen Druckluftquelle kommt, wird an die Verbrennungskammer 19 geschickt.
  • In diesem Fall, da die Luft Sauerstoff enthält, kann der Sauerstoffgehalt des Reststickstoffs je nach der an die Verbrennungskammer 19 geschickten Luftmenge geringer sein; die mit Stickstoff angereicherte Menge kann nur zwischen 2 und 5 % Sauerstoff enthalten.
  • Eine weitere Luftmenge 23 dieses Kompressors und/oder eine verdichtete Reststickstoffmenge 27 kann die Zwischenstufen des Druckminderungsgeräts 3 oder des Stickstoffkompressors 13 kühlen.
  • Eine weitere Luftmenge 29 dieses Kompressors und/oder eine verdichtete Reststickstoffmenge 31 kann mit den Verbrennungsgasen 33 gemischt werden, und das Ganze wird dann zum Druckminderungsgerät geschickt.
  • Die Verbrennungskammer erhält keine Luft vom Kompressor 1.
  • Eine weitere Luftmenge 37 dieses Kompressors und/oder eine verdichtete Reststickstoffmenge 39 kann den Rotor 41 des Druckminderungsgeräts 3 oder die Wände der Verbrennungskammer 19 kühlen.
  • Ein Teil der Luft 35 des Zusatzkompressors 21 kann in der Luftzerlegungsanlage 5 zerlegt werden. Auf diese Weise kann das Gerät mit Luft versorgt werden, wenn der Kompressor 1 nicht in Betrieb ist. Mit anderen Worten kann diese zusätzliche Luftmenge des Kompressors 21 eine Erhöhung der Sauerstofferzeugung des Geräts 5 ermöglichen.
  • Eventuell kann die Luft des Kompressors 1 nicht an die Luftzerlegungsanlage 5 geschickt werden, da sie verwendet wird, um verschiedene Elemente der Gasturbine zu kühlen. Dieser Teil der Luft kann ungefähr 25 % der verdichteten Luft ausmachen.
  • Die Luftzerlegungsanlage kann völlig oder teilweise mit Luft, die von einem Kompressor stammt, der mindestens für den Start bestimmt ist, versorgt werden.
  • 2 zeigt eine Luftzerlegungsanlage, umfassend eine erste Säule 101, die mit zwischen 4 und 30 bar funktioniert, eine zweite Säule 102, die mit zwischen 4 und 30 bar funktioniert und eine dritte Säule 103, die mit zwischen 1,3 und 10 bar funktioniert. Dieses Gerät könne als Luftzerlegungsanlage 5 der 1 dienen. Vorzugsweise funktionieren die Säulen 101, 102 mit über 8 bar.
  • Die Luft des Kompressors 1 wird gereinigt und in zwei geteilt 105, 107. Eine Menge 105 kühlt sich in dem Hauptwärmetauscher 109 ab und wird als einzige Versorgung an die Spitze der ersten Säule 101 geschickt. Die andere Menge 107 wird in dem Überdruckgerät 127 (welches ein Kaltüberdruckgerät sein kann) unter Überdruck gesetzt und im Wärmetauscher 109 gekühlt; dann wird sie an das Wannenabkochgerät 111 der ersten Säule 101 geschickt, wo sie zumindest teilweise kondensiert, bevor sie nach der Druckminderung an die zweite Säule geschickt wird. Die zweite Säule wird in der Wanne einige theoretische Platten unter der teilweise kondensierten Luft mit einer Flüssigkeitsmenge versorgt, die von der Wanne der ersten Säule 101 kommt. Das Gas an der Spitze der ersten Säule stellt die verarmte Luft 115 dar, somit kann diese mit Stickstoff angereicherte Menge für den Kompressor 13 bestimmt sein, da sie sich beinahe auf demselben Druck wie die Versorgungsluft befindet.
  • Der Druck der Wannenflüssigkeit der zweiten Säule wird gemindert und an ein Zwischenniveau der dritten Säule als einzige Versorgung geschickt. Die Wanne der dritten Säule ist thermisch mit der Spitze der zweiten Säule mit Hilfe eines Verdampfers-Kondensators 113 verbunden.
  • Das Gas an der Spitze der zweiten Säule 102 ist Stickstoff steht unter Hochdruck 119.
  • Der gasförmige Sauerstoff 121 wird aus der Wanne der Säule 103 entnommen. Eventuell kann diese Menge in flüssiger, im Wärmetauscher 109 unter Druck gehaltener und verdampfter Form entnommen werden.
  • Ein Gas 117 an der Spitze der dritten Säule stellt eine mit Stickstoff angereicherte Menge unter geringem Druck dar und kann dazu dienen, verschiedene Elemente, wie beispielsweise die Zwischenstufen der Turbine, den Rotor usw. zu kühlen, eher als die verarmte Luft 115, die ihrerseits unter hohem Druck steht.
  • Offensichtlich muss das Gerät durch ein nicht dargestelltes Mittel kalt gehalten werden, welches eine Claude-Turbine, die Luft an die Säule 101, 102 schickt, eine Einblasturbine, die Luft an die Säule 103 schickt, eine Reststickstoffturbine 117, wenn die Säule 103 unter Druck ist, oder eine Mitteldruckstickstoffturbine 119 sein kann.
  • Die zweite und die dritte Säule können durch eine Dreifachsäule ersetzt sein.
  • Das Schema der 2 wurde im Zusammenhang mit einem integrierten Verfahren beschrieben, bei dem die gesamte Luft des Kompressors der Gasturbine an die ASU geschickt wird, aber es versteht sich, dass das Schema in Fällen angewandt werden kann, in denen die gesamte oder ein Teil der Luft dieses Kompressors an die Verbrennungskammer geschickt wird, oder auch in dem Fall, in dem die ASU nicht mit einem anderen Gerät integriert ist.
  • Die Kompressoren 13, 21 und 127 können mit (einer) Turbine(n) der Anlage, beispielsweise einer Dampfturbine, gekoppelt sein.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Stromerzeugung, das ein Gerät zur Stromerzeugung verwendet, umfassend die folgenden Schritte: i) Verdichten der Luft in einem Kompressor (1); ii) Schicken mindestens eines Teils der in dem Kompressor verdichteten Luft an eine Luftzerlegungsanlage (5), um mindestens ein mit Sauerstoff angereichertes Fluid (7) und mindestens ein mit Stickstoff angereichertes Gas (9, 11), das auch Sauerstoff enthält, zu erzeugen; iii) Schicken des Brennstoffes (17) und mindestens eines Teils des mit Stickstoff (11) angereicherten Gases an eine Verbrennungskammer, um Verbrennungsgase (33) zu erzeugen, wobei die in dem Kompressor (1) verdichtete Luft nicht an die Verbrennungskammer geschickt wird; und iv) Mindern des Drucks der Verbrennungsgase in einem Druckminderungsgerät (3), das mit dem Kompressor zur Stromrückgewinnung gekoppelt ist; dadurch gekennzeichnet, dass das mit Stickstoff angereicherte Gas bei einem Druck zwischen 8 und 30 bar verdichtet wird, bevor es an die Verbrennungskammer geschickt wird, und dass die Luft bei einem Druck zwischen 8 und 30 bar von einem Zusatzkompressor (21) an die Verbrennungskammer (19) oder von einer anderen Druckluftquelle als dem Kompressor (1) geschickt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die gesamte Luft aus dem Kompressor (1) an die Luftzerlegungsanlage (5) geschickt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Teil der Luft aus dem Kompressor (1) an die Luftzerlegungsanlage (5) geschickt wird und die übrige in dem Kompressor verdichtete Luft dazu dient, mindestens ein anderes Element des Geräts als die Verbrennungskammer (19) zu kühlen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die gesamte an die Luftzerlegungsanlage (5) geschickte Luft vom Kompressor (1) stammt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Teil (35) der an die Luftzerlegungsanlage (5) geschickten Luft von einem Zusatzkompressor (21) oder einer Druckluftquelle stammt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem mindestens ein Teil der Luft aus dem Zusatzkompressor (21) mit mindestens einem Teil des mit Stickstoff angereicherten Gases (11) gemischt wird, bevor sie an die Verbrennungskammer geschickt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Teil der mit Sauerstoff angereicherten Luft (1) geschickt wird, um die Vergasung eines Brennstoffes, der Kohlenstoff enthält, durchzuführen, um eine Brennstoffmenge zu erzeugen.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mit Stickstoff angereicherte Gas (11, 15) mindestens 5 Mol-% und höchstens 18 Mol-% Sauerstoff enthält oder mit Luft gemischt wird, um ein Gas zu erzeugen, das mindestens 5 Mol-% und höchstens 18 Mol-% Sauerstoff enthält, wobei dieses Gas dann an die Verbrennungskammer (19) geschickt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 7, bei dem das mit Stickstoff angereicherte Gas (11, 15) weniger als 5 Mol-% Sauerstoff enthält.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Luft vom Kompressor (1) bis auf zwischen 8 und 20 bar verdichtet wird.
  11. Stromerzeugungsanlage, umfassend: i) einen Kompressor (1) ii) ein an den Kompressor gekoppeltes Druckmindergerät (3) iii) eine Verbrennungskammer (19) iv) eine Luftzerlegungsanlage (15) v) Mittel, um Luft vom Kompressor zur Luftzerlegungsanlage zu schicken, vi) Mittel, um ein mit Stickstoff angereichertes Gas (11, 15), das Sauerstoff von der Luftzerlegungsanlage enthält, an die Verbrennungskammer zu schicken, und kein Mittel, um Luft vom Kompressor an die Verbrennungskammer zu schicken, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (13), um das mit Stickstoff angereicherte Gas zu verdichten, bevor es an die Verbrennungskammer geschickt wird, sowie einen Zusatzkompressor (21) oder eine andere Druckluftquelle als den Kompressor (1) umfasst, um Luft an die Verbrennungskammer zu schicken.
  12. Anlage nach Anspruch 11, umfassend einen Vergaser, Mittel, um ein mit Sauerstoff angereichertes Gas von der Luftzerlegungsanlage an den Vergaser zu schicken, und Mittel, um Brennstoff vom Vergaser an die Verbrennungskammer zu schicken.
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