DE60219513T2 - Sauerstoffbefeuerter zirkulierender wirbelschichtdampferzeuger - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger sowie eine Methode zum Betrieb des zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeugers zur Herstellung eines Kohlendioxidendprodukts.
  • Das US-Patent Nr. 5.175.995 von Pak et al. beschreibt ein konventionelles Kraftwerk, in dem Kraftstoff mit Luft in einer Brennkammer verbrannt werden kann, um Verbrennungsgasenergie zum Antrieb einer Dampf- oder Gasturbine bereitzustellen. Bei solchen Ausführungen derartiger konventioneller Kraftwerke, die im Verbrennungsprozess Erdgas, Erdölgas oder Steinkohlengas verbrennen, enthält dieser Kraftstoff Kohlenstoffkomponenten wie Kohlenstoff (C), Kohlenmonoxid (CO) und andere Kohlenwasserstoffe (CmHn). Daher besteht das Rauchgas, das in einem Verbrennungsprozess erzeugt wird, bei dem der Kraftstoff im Beisein von Luft verbrannt wird, aus Kohlendoxid (CO2), Stickoxid (NOx) und Schwefeloxid (SOx) sowie Stickstoff (N2).
  • Das '995-Patent von Pak et al. verweist weiterhin darauf, dass die Freisetzung von Gasen wie NOx, SOx und CO2 in die Atmosphäre zu Umweltverschmutzung führt. Bei herkömmlichen Kraftwerken werden zur Entfernung von NOx- und SOx-Schadstoffen Abscheideanlagen wie Gaswascher eingesetzt. Außerdem werden Abscheideanlagen verwendet, um das im Rauchgas enthaltene Kohlendioxid (CO2) zu entfernen. Dazu gehören Abscheideanlagen, die das Kohlendioxid (CO2) mit Hilfe eines Sorptionsmittels selektiv absorbieren. Diese Lösungsmittelmethode hat jedoch nach dem '995-Patent von Pak et al. den Nachteil, zusätzliche Energie zu benötigen, um das Lösungsmittel zu erwärmen und eignet sich nicht gut dafür, die relative lange Kontaktzeit zwischen dem Lösungsmittel und dem Kohlendioxid (CO2) bereitzustellen, die das Lösungsmittel braucht, um das Kohlendioxid (CO2) vollständig zu absorbieren.
  • Das '955-Patent von Pak et al. enthält mehrere Versionen eines geschlossenen Kombikraftwerks, das einige der Nachteile der Lösungsmittelmethode zur Absorption des Kohlendioxids (CO2) verbessern soll. Bei jeder der Ausführungen des Kraftwerks, die in dieser Referenz enthalten sind, wird der Kraftstoff einer Brennkammer im Beisein von Sauerstoff anstatt von Luft zugeführt, um ein Verbrennungsgas (Rauchgas) zu erzeugen, das hauptsächlich aus einer Wasserkomponente und Kohlendioxid (CO2) besteht. Dieses Verbrennungsgas wird so aufbereitet, dass die Wasserkomponente und das Kohlendioxid (CO2) getrennt werden, wobei das abgeschiedene Kohlendioxid (CO2) als Arbeitsmedium für den Antrieb einer Turbine des Kombikraftwerks recycelt wird. Da die Verbrennung des Kraftstoffs im Beisein von Sauerstoff anstatt von Luft die Erzeugung von NOx praktisch eliminiert und außerdem das Kohlendioxid (CO2) innerhalb des geschlossenen Zyklus als Arbeitsmedium verbleibt, wird bei der in dem '955-Patent von Pak et al. beschriebenen Methode die Freisetzung von NOx sowie Kohlendioxid (CO2) auf vorteilhafte Weise vermieden.
  • Das US-Patent Nr. 4.498.289 von Osgersby beschreibt ebenfalls ein Energiesystem, in dem ein Kohlenwasserstoffkraftstoff im Beisein von Sauerstoff anstatt von Luft verbrannt wird, um ein aus Kohlendioxid (CO2) bestehendes Arbeitsmedium zu erhalten. Während das '955-Patent von Pak et al. und das '289-Patent von Osgersby jeweils eine Vorkehrung zur Reduzierung der Kohlendioxid (CO2)-Emissionen über die Verbrennung des Kraftstoffs im Beisein von Sauerstoff anstatt von Luft enthalten, könnte die grundlegende Methode immer noch von einer Lösung für neue oder vorhandene Kraftwerkssystementwürfe profitieren, welche die Flexibilität bietet, Kohlendioxid (CO2) sowohl als erwünschtes Endprodukt zu produzieren als auch damit den Verbrennungsprozess zu unterstützen. Außerdem könnte die Methode von einer Lösung profitieren, die einen zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger enthält, dessen Verbrennungstemperatur mit Hilfe von nicht mehr als der Hälfte der typischerweise von einem Kohlenstaubdampferzeuger mit vergleichbarer Leistung benötigten Rauchgaszirkulation geregelt werden kann.
  • De-A-43 03 174 (Dokument D1) soll eine Methode zum Betrieb eines Generators enthalten, wobei die Methode die Schritte zur Verbrennung eines Kraftstoffs (4) im Beisein von im wesentlichen reinen Sauerstoff zur Erzeugung von Rauchgas mit CO2 und Wasserdampf (Spalte 2, Zeile 27) als seine beiden größten Bestandteile (Spalte 2, Zeile 27) in (1) umfasst; das Rauchgas über (2) durch einen Sauerstoffzustrom-Vorheizer (9) strömt; und das Rauchgas in ein Endprodukt (16) und einen Recyclinganteil aufgetrennt wird, der in (3) zirkuliert und über (1) und (6) wieder in den Generator geleitet wird, um zum Verbrennungsprozess beizutragen.
  • 4 aus WO-A-9607024 (Dokument D2) soll ein minimal umweltschädliches, effizientes Kraftwerk (4000) zur Stromerzeugung darstellen, das aus einem Reaktant-Induktionssystem (100) einem Gaserzeugungsuntersystem (200), einem Turbinenantriebsuntersystem (300), einem Stromerzeugungsuntersystem (400) und einem eingeschränkten Wassermanagementuntersystem (600) besteht.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung für neue oder vorhandene Kraftwerksystementwürfe bereitzustellen, welche die Flexibilität bietet, Kohlendioxid (CO2) sowohl als ein erwünschtes Endprodukt als auch als Unterstützung für den Verbrennungsprozess zu produzieren.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung für die Produktion von flüssigem Kohlendioxid (CO2) bereitzustellen, welches die Wärmeabgabe eines Kraftwerksystems verbessert, das mit fossilem Brennstoff betrieben wird.
  • Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Methode zum Betrieb eines zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeugers für neue oder vorhandene Kraftwerksystementwürfe bereitgestellt, welche die Flexibilität bietet, Kohlendioxid (CO2) sowohl als erwünschtes Endprodukt als auch zur Unterstützung des Verbrennungsprozesses zu verwenden. Die Methode umfasst die Schritte zur Einleitung eines im wesentlichen reinen Sauerstoffzustroms in den zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger und den Schritt der Verbrennung eines Kraftstoffs im Beisein des im wesentlichen reinen Sauerstoffzustroms zur Erzeugung eines Rauchgases, dessen größte Volumenbestandteile Kohlendioxid und Wasserdampf sind.
  • Die Methode zum Betrieb eines zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeugers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung enthält folgende Schritte: Einführen eines im wesentlichen reinen Sauerstoffzustroms in den zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger, Verbrennen eines Kraftstoffs im Beisein des im wesentlichen reinen Sauerstoffzustroms zur Erzeugung eines Rauchgases, dessen zwei größte Volumenbestandteile Kohlendioxid und Wasserdampf sind, Weiterleiten des Rauchgases durch einen Sauerstoffzustrom-Vorheizer, in dem die Wärme aus dem Rauchgas an den Sauerstoffzustrom übertragen wird, Auftrennen des Rauchgases in einen Endproduktanteil und einen Recyclinganteil sowie Weiterleiten des Recyclinganteils des Rauchgases zum zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger, um den darin stattfindenden Verbrennungsprozess zu unterstützen. Die Methode enthält vorzugsweise auch das Kühlen und Komprimieren des Endproduktanteils des Rauchgases, um Kohlendioxid in einer flüssigen Phase zu erhalten.
  • Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein zirkulierender Wirbelschichtdampferzeuger bereitgestellt, der folgende Mittel umfasst: Mittel zur Einführung eines im wesentlichen reinen Sauerstoffzustroms in den zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger, Mittel zur Verbrennung eines Kraftstoffs im Beisein des im wesentlichen reinen Sauerstoffzustroms zur Erzeugung eines Rauchgases, dessen zwei größte Volumenbestandteile Kohlendioxid und Wasserdampf sind, Mittel zur Weiterleitung des Rauchgases durch einen Sauerstoffzustrom-Vorheizer, in dem Wärme von dem Rauchgas auf den Sauerstoffzustrom übertragen wird, Mittel zum Auftrennen des Rauchgases in einen Endproduktanteil und einen Recyclinganteil und Mittel zum Weiterleiten des Recyclinganteils des Rauchgases in den zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger, um den hierin stattfindenden Verbrennungsprozess zu unterstützen. Vorzugsweise enthält der zirkulierende Wirbelschichtdampferzeuger auch Mittel zum Kühlen und Komprimieren des Endproduktanteils des Rauchgases, damit das Kohlendioxid in einer flüssigen Phase erhalten wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Schemazeichnung eines zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeugers und
  • 2 ist eine Schemazeichnung einer Kombikraftwerkseinheit bestehend aus dem in 1 dargestellten zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger zur Produktion eines Kohlendioxidendprodukts.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
  • In 2 der Zeichnungen ist eine Ausführung des mit Sauerstoff gespeisten zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeugers der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der zirkulierende Wirbelschichtdampferzeuger (Referenzzahl 10), verwendet Sauerstoff zur Verbrennung anstatt von Luft, um dadurch die Menge des rezirkulierten Rauchgases auf kostengünstige Weise vorteilhaft zu minimieren. Bevor jedoch eine detaillierte Beschreibung des gesamten zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeugers (10) und anschließend eine detaillierte Beschreibung einer Kombikraftwerkseinheit bestehend aus dem zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger (10) gegeben wird, beziehen wir uns auf 1 der Zeichnungen, um eine allgemeine Beschreibung einer Untergruppe von Verbrennungs- und Abscheiderkomponenten für heiße Feststoffe und Gase des zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeugers (10) bereitzustellen.
  • Die Konfiguration des zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeugers (10) einschließlich des Vorhandenseins oder Fehlens, der Platzierung und der Verbindung unter seinen einzelnen Elementen, wie hierin illustriert und beschrieben, darf nur als eine beispielhafte Konfiguration betrachtet werden, bei der ein sauerstoffbefeuertes zirkulierendes Wirbelschichtsystem gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Aus diesem Grund wird festgestellt, dass die folgende Diskussion des zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeugers (10) nur eine mögliche Betriebsanordnung darstellt, und dass die Konfiguration des zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeugers, einschließlich des Vorhandenseins oder des Fehlens, der Platzierung und der Verbindung seiner einzelnen Elemente untereinander auf Wunsch oder den Umständen entsprechend geändert werden kann, aber dennoch eine Ausführung des zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeugers der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Wie in 1 dargestellt umfasst der zirkulierende Wirbelschichtdampferzeuger (10) ein Ofenvolumen (durch die Referenzzahl 12 gekennzeichnet), wobei das letztere durch Wasserbehälterwandrohre definiert ist (Referenzzahl 14), einen ersten Kanalabschnitt (Referenzzahl 16), einen kombinierten Abscheider für heiße Feststoffe und Gas (Referenzzahl 18), einen Zwischenabschnitt aus Rückleitungsrohren (Referenzzahl 20) und ein Rückleitungsvolumen (Referenzzahl 22), von dem weitere Rohre (Referenzzahl 24) ausgehen.
  • Das Ofenvolumen (12) wird mit Hilfe von Wasser gekühlt, das durch die Wasserbehälterwandrohre (14) geleitet wird, während der kombinierte Abscheider für heiße Feststoffe und Gas (18) und das Rückleitungsvolumen mit Hilfe von Rohren dampfgekühlt werden, die in ihre Wandstrukturen integriert sind.
  • Der untere Abschnitt des kombinierten Abscheiders für heiße Feststoffe und Gase (18), der zum Beispiel aus einem herkömmlichen Wirbelstrombrenner bestehen kann, ist bezüglich des Mediumstroms mit dem unteren Abschnitt des Ofenvolumens über ein Mediumströmungssystem verbunden, das gemäß der zugehörigen Illustration in 1 aus einem anfänglichen Sammelpfad (Referenzzahl 26), einer Dosierspeisevorrichtung mit direkter Rückleitung (Referenzzahl 28), einem direkten Rückleitungspfad (Referenzzahl 30), einem Wirbelschichtwärmetauscher-Einlass (Referenzzahl 32), einem Aschenregelventil (Referenzzahl 34), einem Wirbelschichtwärmetauscher (Referenzzahl 36) und einem Wirbelschichtwärmetauscher-Auslass (Referenzzahl 38) besteht. Zum Zweck der anschließend folgenden Diskussion werden die Rohre (16), der kombinierte Abscheider für heiße Feststoffe und Gas (18) und das Mediumströmungssystem (26), (28), (30), (32), (34), (36), (38) als ein Zirkulationspfad für heiße Feststoffe bezeichnet (Referenzzahlen 40, 42, 44). Außerdem wird festgestellt, dass das Mediumströmungssystem (26), (28), (30), (32), (34), (36), (38) typisch für das Mediumströmungssystem ist, das kooperativ mit dem kombinierten Abscheider für heiße Feststoffe und Gas (18) zusammenarbeitet. Aus einem Verweis auf 1 der Zeichnung wird ersichtlich, dass das Ofenvolumen (12) über eine Versorgungsleitung (Referenzzahl 48) in Verbindung mit einer Quelle (Referenzzahl 46) für Kraftstoff und Lösungsmittel sowie über eine Versorgungsleitung (Referenzzahl 52) mit einer Quelle (Referenzzahl 50) für Sauerstoff verbunden ist.
  • Bezüglich von 1 der Zeichnung wird unter Verweis darauf festgestellt, dass im unteren Abschnitt des Ofenvolumens 12 eine Mischung aus Kraftstoff und Lösungsmittel (Referenzzahl 54) zum Zweck der Verbrennung derselben mit Sauerstoff (Referenzzahl 56) hergestellt wird. Vorzugsweise wird das Fluidisierungsmedium, das den Sauerstoff (56) enthält, über einen Fußbodenrost eingespeist, auf dem die Wirbelschicht des Ofenvolumens (12) aufgebaut wird, und zusätzlicher Sauerstoff wird in zwei Höhen über dem Fußbodenrost eingespeist. Außerdem ist es vorzuziehen, die Zustrom- und Lösungsmittelversorgungsleitung (4)8 so zu konfigurieren, dass sie luftunterstützte Kraftstoff- und Lösungsmittelzustromdüsen enthält, damit die Öffnungsgröße der Wasserwandbehälterpenetration und ein Verstopfen der Kraftstoffeinfüllstutzen minimiert werden können. Asche kann aus dem unteren Volumen (12) des zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeugers (10) über einen herkömmlichen Aschekühler (58) abgelassen werden (in 2 dargestellt).
  • Aus dieser Verbrennung entstehen in bekannter Weise heiße Verbrennungsgase (Referenzzahl 40) und heiße Feststoffe (Referenzzahl 42), die von den heißen Verbrennungsgasen 40 mitgerissen werden. Diese heißen Verbrennungsgase (40) mit den mitgeführten heißen Feststoffen (42) steigen in dem Ofenvolumen (12) auf, wobei die heißen Verbrennungsgase (40) mit den mitgeführten heißen Feststoffen (42) am oberen Ende des Ofenvolumens (12) durch den Kanal (16) zum kombinierten Abscheider für heiße Feststoffe und Gase (18) strömen.
  • Im Innern des kombinierten Abscheiders für heiße Feststoffe und Gase (18) werden die darin einströmenden heißen Feststoffe (42) mit einer Größe oberhalb eines vorher festgelegten Werts, von den heißen Verbrennungsgasen (40) getrennt, in denen sie mitgeführt werden. Die separierten heißen Feststoffe (42), die unverbrannten Kraftstoff, Flugasche und Lösungsmittel, sowie Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O) enthalten, strömen durch den kombinierten Abscheider für heiße Feststoffe und Gase (18). Mit Hilfe der Schwerkraft werden die heißen Feststoffe (42) aus dem kombinierten Abscheider für heiße Feststoffe und Gase 18 in den anfänglichen Sammelpfad (26) entladen, von dem aus ein Teil der heißen Feststoffe über den anfänglichen Sammelpfad (26) zur und durch die Dosierspeisevorrichtung mit Direktrückleitung (28) strömt.
  • Danach wird dieser Teil der heißen Feststoffe (42) aus der Dosierspeisevorrichtung mit Direktrückleitung (28) mit Hilfe eines zugehörigen Direktrückleitungspfads (30) in den unteren Abschnitt des Ofenvolumens (12) eingeleitet, wobei dieser Teil der heißen Feststoffe (42) erneut dem Verbrennungsprozess unterworfen wird, der in dem zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger 10 stattfindet. Der Rest der heißen Feststoffe (42), deren Größe über einem bestimmten, zuvor festgelegten Wert liegt (heiße Wärmetauscherfeststoffe (44) genannt), wird von dem kombinierten Abscheider für heiße Feststoffe und Gase (18) zum Wirbelschichtwärmetauscher (36) über den Wärmetauschereinlass (32) und dann über einen zugehörigen Wärmetauscherauslass (38) zum unteren Abschnitt des Ofenvolumens (12) geleitet. Die heißen Feststoffe (42), die über den Wirbelschichtwärmetauscher (36) umgeleitet werden, werden in einem Wärmetauschverfahren abgekühlt, bei dem die Wärme der heißen Feststoffe an ein Arbeitsmedium übertragen wird, das auf herkömmliche Weise durch den Wirbelschichtwärmetauscher (36) fließt. Die Temperatur im zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger (10) kann daher durch die richtige Aufteilung des Stroms der heißen rezirkulierten Feststoffe (42) geregelt werden, die den Zyklon verlassen, so dass ein ungekühlter Feststoffstrom direkt zum zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger (10) zurückströmt oder vorher von dem Wirbelschichtwärmetauscher (36) gekühlt wird, bevor er zum zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger (10) strömt.
  • Im Gegensatz dazu werden die heißen Verbrennungsgase (40), die den kombinierten Abscheider für heiße Feststoffe und Gase (18) verlassen, im Folgenden als Rauchgase bezeichnet, von dem kombinierten Abscheider für heiße Feststoffe und Gase (18) über die Rückleitungsrohre (20) zum Rückleitungsvolumen (22) geleitet, wo ein weiterer Wärmetausch stattfindet, der im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Aus dem Rückleitungsvolumen (22) treten die Rauchgase (40) über die Rohre (24) in eine Untergruppe stromabwärts liegender Rauchgasaufbereitungskomponenten ein, die im Folgenden unter Verweis auf 2 in weiteren Einzelheiten beschrieben werden.
  • 2 ist eine Schemazeichnung einer beispielhaften Kombikraftwerkseinheit (110), die aus dem zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger (10) besteht, der sowohl zur Stromerzeugung betrieben werden und ein Kohlendioxidendprodukt (CO2) sowie optional auch ein Stickstoffprodukt (N2) generieren kann. Einzelheiten dieser Anordnung – im folgenden allgemein als die Endprodukt- und recycelbare Gruppe (EPRG) bezeichnet – werden nun beginnend mit einer Beschreibung der Einzelheiten bezüglich der Kombikraftwerkseinheit (110) beschrieben. Wir verweisen auf 2, die die beispielhafte Kombikraftwerkseinheit mit einer kraftstoffbefeuerten Verbrennungskammer in Form des zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeugers (10) und zusätzlich einschließlich der Untergruppe aus stromabwärts liegenden Rauchgasaufbereitungskomponenten und einer Untergruppe aus sauerstoffzuführenden Komponenten illustriert. Diese beiden letzteren Gruppen werden im Folgenden als die Endprodukt- und recycelbare Gruppe (EPRG) bezeichnet. Eine der sauerstoffzuführenden Komponenten behandelt einen Luftstrom derart, dass daraus Sauerstoff einer bestimmten Reinheit gewonnen wird.
  • Die Kombikraftwerkseinheit (110) enthält außerdem eine Turbine zur Stromerzeugung aus der Bewegungsenergie des durch sie durch strömenden Dampfs. Dampf wird aus dem zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger (10) über eine Vielzahl von Kanälen (138) zur Turbine geleitet und treibt die Turbine an.
  • Unter Verweis auf 2 umfasst die Endprodukt- und recycelbare Gruppe (EPRG) auch eine Sauerstoffquelle (140) für die Zufuhr der bestimmten Art Verbrennungsgas über geeignete Mittel wie zum Beispiel sauerstoffeinführende Elemente (142). Die sauerstoffeinführenden Elemente (142) bestehen aus der Versorgungsleitung (50) und der Versorgungsleitung, welche die weiteren zwei oberen Sauerstoffstufen versorgt, die jeweils Sauerstoff in das untere Volumen des zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeugers (10) leiten und an mindestens eine Stelle oberhalb der Mischung aus Kraftstoff und Lösungsmittel (54). Der Sauerstoff (O2), der in den zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger (10) geleitet wird, reagiert mit dem Kraftstoff, der dem zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger (10) zugeführt wird, wobei ein derartiger Kraftstoff vorzugsweise ein fossiler Brennstoff mit einem hohen Kohlenstoffgehalt, wie zum Beispiel Kohle oder Petrolkoks oder Biomasse ist.
  • Der Sauerstoff (O2), der von der Sauerstoffquelle (140) geliefert wird, wird vorzugsweise in einem Lufttrennverfahren gewonnen, das von einer Lufttrennungseinheit ausgeführt wird, welche Sauerstoff (O2) von dem Umgebungsluftzustrom trennt, und diesbezüglich kann die Sauerstoffquelle (140) zum Beispiel als kryogenes Werk konfiguriert werden, welches die Kapazität besitzt, Sauerstoff (O2) mit einer Reinheit von mindestens fünfundneunzig Prozent (95%) zu erzeugen. Die Lufttrennungseinheit kann auf Wunsch so konfiguriert werden, dass außerdem ein Stickstoffprodukt (N2) (141) produziert wird. Die Sauerstoffquelle (140) kann alternativ als Apparat konfiguriert werden, der eine Sauerstofftransportmembran enthält.
  • Der Sauerstoff (O2), der von der Sauerstoffquelle (140) geliefert wird, wird stromaufwärts von den sauerstoffeinführenden Elementen (142) über einen Vorheizer (144) für reinen Sauerstoff, der mit einen Kaltseiteneinlass ausgestattet ist, der mit einem Auslasskanal (146) der Sauerstoffquelle (140) verbunden ist, und einem Kaltseitenauslass ausgestattet ist, der mit einem Kanal (148) verbunden ist, der wiederum über eine Kanalverteileranordnung mit den sauerstoffeinführenden Elementen (142) in Verbindung steht. Die heiße Seite des Vorheizers (144) für reinen Sauerstoff wird mit Rauchgas versorgt, das aus dem Rückleitungsvolumen (22) über die Rohrleitungen (24) ausgetreten ist.
  • Das Rauchgas, das von dem Rückleitungsvolumen stammt, strömt durch einen Kanal (150), der mit dem Einlass auf der heißen Seite des Vorheizers (144) für reinen Sauerstoff verbunden ist. Das Rauchgas gibt dann weitere Wärme an den Sauerstoff (O2) ab, der durch den Vorheizer (144) für reinen Sauerstoff zu dem zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger (10) strömt.
  • Die beiden größten Volumenbestandteile des Rauchgases, welche aus der Rückleitung (22) austreten, sind Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O). Diese Zusammensetzung des Rauchgases resultiert aus der Verbrennung der Kohle innerhalb des zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeugers (10) im Beisein des reinen oder beinahe reinen Sauerstoffs, der aus der Sauerstoffquelle (140) geliefert wird, und im Beisein der recycelten Feststoffe, die dem zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger (10) durch den Wirbelschichtwärmetauscher (36) zugeführt werden.
  • Die Endprodukt- und recycelbare Gruppe (EPRG) umfasst außerdem. wie aus 1 ersichtlich wird, ein Partikelabscheidersystem zur Entfernung relativ feiner Partikel in Form eines Elektrofilters (152), mit dessen Hilfe auf herkömmliche Weise ausgewählte Feststoffe entfernt werden können, die vom Rauchgas mitgeführt werden. Der Elektrofilter (152) ist mit dem Vorheizer (144) für reinen Sauerstoff über einen Kanal (154) verbunden, durch den das Rauchgas nach seiner Passage durch den Vorheizer (144) für reinen Sauerstoff strömt. Das Rauchgas, das aus dem Elektrofilter (152) austritt, strömt über einen Kanal (158) zu einem Gaskühler (160), wo ein bestimmter Anteil des Wasserdampfs (H2O) kondensiert wird, bevor das Rauchgas weiter stromabwärts zu einem Saugzuggebläse (162) strömt. Der Gaskühler (160) kühlt das Rauchgas auf die niedrigste mögliche Temperatur vor dem Recycling ab, um die Anforderungen an die Wirbelschichtluftgebläseleistung zu minimieren. Der Gaskühler (160) bringt das Rauchgas mit relativ kälterem Wasser in Gegenstromrichtung in Kontakt, und dieser Kontakt führt dazu, dass ein relativ beträchtlicher Anteil des Wasserdampfs im Rauchgas zu Wasser auskondensiert und das Wasser anschließend vom Rauchgas getrennt werden kann.
  • Das Rauchgas, das aus dem Saugzuggebläse (162) in einem Strom (164) austritt, der hauptsächlich aus Kohlendioxid (CO2) besteht, wird derart aufgetrennt oder segregiert, dass der größte Teil des Rauchgases zu einem Ort (166) geleitet wird, an dem das Rauchgas weiter aufbereitet, verwendet oder maskiert werden kann. Zum Beispiel kann die Endprodukt- und recycelbare Gruppe (EPRG) eine Flüssigkeitswiedergewinnungsbaugruppe (168) enthalten, mit der ein Teil des Kohlendioxids (CO2) des Rauchgases verflüssigt werden kann, so dass ein flüssiges Kohlendioxidprodukt erhalten wird, das für einen kommerziellen Betrieb wie zum Beispiel für EOR-Maßnahmen (Enhanced Oil Recovery) eingesetzt werden kann. Zusätzlich kann das Stickstoff (N2)-Produkt (141), das von der Sauerstoffquelle (140) produziert wird (wenn diese für die Erzeugung dieses Produkts konfiguriert ist), ebenfalls für EOR-Maßnahmen eingesetzt werden.
  • Ein relativ kleiner Anteil des Rauchgases, das zur Stelle (160) geleitet wird, wird letztendlich in einem Recyclingstrom (170) in den zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger (10) geleitet. Dieser Anteil des Rauchgases ist normalerweise nur ein kleiner Anteil des gesamten Rauchgases, das durch den Gaskühler (160) geströmt ist, und die Anforderungen an diesen Rauchgasanteil werden als Funktion der Menge bestimmt, die für Verwirbelungszwecke im zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger (10) benötigt wird. Eine derartige Fluidisierung wird zumindest teilweise von einem Wirbelschichtluftgebläse (172) übernommen, der diesen Rauchgasanteil zum Wirbelschichtwärmetauscher (36) leitet.
  • Die Endprodukt- und recycelbare Gruppe (EPRG) stellt daher ein System dar, welches in Übereinstimmung mit der Methode der vorliegenden Erfindung betrieben werden kann, um ein flüssiges Kohlendioxid (CO2)-Endprodukt und ein recycelbares Rauchgas zur Unterstützung des Verbrennungsprozesses zu produzieren. Außerdem wird die Rezirkulation von Feststoffen in Übereinstimmung mit der Methode der vorliegenden Erfindung angewendet, um die Verbrennungstemperaturen in dem zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger zu regeln. Weiterhin liegt eine relative Verringerung bei der Erzeugung von Stickstoff im Vergleich zu einem herkömmlichen zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger ohne Sauerstoffbefeuerung vor. Aufgrund der Verwendung von Sauerstoff anstelle von Luft und der Minimierung des rezirkulierten Rauchgases, können relativ kompaktere Designs des zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeugers, der Abscheider für heiße Feststoffe und Gase und der Rückleitungswärmetauscher in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung realisiert werden.

Claims (5)

  1. Eine Methode zum Betrieb eines zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeugers (10), bestehend aus: Einführung eines im wesentlichen reinen Sauerstoffzustroms in den zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger (10); Verbrennung eines Kraftstoffs im Beisein des im wesentlichen reinen Sauerstoffzustroms zur Produktion eines Rauchgases, dessen zwei größte Volumenbestandteile Kohlendioxid und Wasserdampf sind; Leiten des Rauchgases durch einen Sauerstoffzustrom-Vorheizer (144), in dem Wärme vom Rauchgas an den Sauerstoffzustrom abgegeben wird; Auftrennen des Rauchgases in einen Endproduktanteil und einen Recyclinganteil; Leiten des Recyclinganteils des Rauchgases zum zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger zu Fluidisierungszwecken, um zum darin stattfindenden Verbrennungsprozess beizutragen.
  2. Eine Methode gemäß Anspruch 1, die weiterhin das Kühlen und Komprimieren des Endproduktanteils des Rauchgases umfasst, um Kohlendioxid in der flüssigen Phase zu erhalten.
  3. Eine Methode gemäß Anspruch 2, bei der der Schritt der Weiterleitung des Recyclinganteils des Rauchgases in den zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeugerdas Umleiten von zumindest einem Teil des Recyclinganteils des Rauchgases über einen Feststoffwärmetauscher beinhaltet, um Wärme vom Recyclinganteil des Rauchgases an die Feststoffe zu übertragen, die durch den Feststoffwärmetauscher (36) strömen.
  4. Ein zirkulierender Wirbelschichtdampferzeuger, bestehend aus: Vorrichtung zur Einführung eines im wesentlichen reinen Sauerstoffzustroms in den zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger; Vorrichtung zum Verbrennen eines Kraftstoffs im Beisein des im wesentlichen reinen Sauerstoffzustroms zur Produktion eines Rauchgases, dessen zwei größte Volumenbestandteile Kohlendioxid und Wasserdampf sind; Vorrichtung zur Weiterleitung des Rauchgases durch einen Sauerstoffzustrom-Vorheizer, in dem Wärme vom Rauchgas an den Sauerstoffzustrom übertragen wird. Vorrichtung zum Auftrennen des Rauchgases in einen Endproduktanteil und einen Recyclinganteil und Vorrichtung zum Weiterleiten des Recyclinganteils des Rauchgases zum zirkulierenden Wirbelschichtdampferzeuger zu Fluidisierungszwecken, um den darin stattfindenden Verbrennungsprozess zu unterstützen.
  5. Ein zirkulierender Wirbelschichtdampferzeuger nach Anspruch 4 und außerdem einschließlich einer Vorrichtung zum Kühlen und Komprimieren des Endproduktanteils des Rauchgases zum Erhalt von Kohlendioxid in einer flüssigen Phase.
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