DE69400252T2 - Gebrauch von Stickstoff von einer Luftzerlegungsanlage um die Zufuhrluft zum Kompressor einer Gasturbine zu kühlen und dadurch der Wirkungsgrad zu erhöhen - Google Patents

Gebrauch von Stickstoff von einer Luftzerlegungsanlage um die Zufuhrluft zum Kompressor einer Gasturbine zu kühlen und dadurch der Wirkungsgrad zu erhöhen

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Gasturbinenverfahren für die Herstellung von Energie zur Erzeugung von Elektrizität oder zum Antrieb einer Vorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Gebrauch von Stickstoff aus einem kryogenen Lufttrennungsverfahren als Beschickungsgas für den Luftkompressor einer Gasturbine im Gasturbinenverfahren.
  • Die von Sauerstoff angetriebene Vergasung einer kohlenstoffhaltigen Beschickung, z. B. Kohle, Erdölkoks, rückständiges Öl, Ölemulsionen und Teersand in Kraftwerken mit einem kombinierten Vergasungszyklus (gasification combined cycle = GCC) erzeugt einen umfangreichen Strom an überschüssigem Stickstoff, der mit der Herstellung der Sauerstoffbeschickung für die Vergasungsreaktion zusammenhängt. Hier steht die Industrie vor dem Problem, wie dieser effektiv freie überschüssige Stickstoff in der GCC-Anlage am wirkungsvollsten verwendet werden kann. Außerdem besteht bei der GCC-Technologie die Schwierigkeit, daß einerseits ständig mehr Kapazität mit immer größerer Effizienz erzeugt werden soll, andererseits jedoch der NOx-Ausstoß in die Atmosphäre strengen Beschränkungen unterliegt. Da sowohl die Kapazität der bestehenden GCC-Anlagen, ihre Effizienz als auch die NOx-Emissionswerte künftigen, noch strengeren Auflagen nicht mehr genügen werden, besteht Bedarf nach preiswerten Nachrüstungsmodifikationen, um diese neuen verschärften Anforderungen zu erfüllen. Die Erfindung ermöglicht die Verwendung des zur Verfügung stehenden überschüssigen Stickstoffs in einem GCC- Kraftwerk, um die Energieerzeugungskapazität zu erhöhen und die Energieerzeugungseffizienz zu verbessern, ohne daß größere Kapitalsummen entweder in neue Kraftwerke oder für Nachrüstungen bestehender Anlagen investiert werden müssen.
  • Es gibt verschiedene Methoden zur Nutzung von Stickstoff in einem GCC-Kraftwerk. Die einfachste besteht darin, den überschüssigen Stickstoff in die Atmosphäre abzulassen. Dieser einfache Weg wird dann gewählt, wenn entweder gar keine oder nur eine geringe Integration zwischen der Lufttrennungseinheit und der Gasturbine erwünscht ist.
  • Ein anderes Verfahren ist in GB-A-2,067,668 beschrieben. Dieses Verfahren besteht darin, den überschüssigen Stickstoff bei einer nicht spezifizierten Temperatur zum Lufteinlaß am Kompressor der Gasturbine zurückleiten. Dabei besteht der einzige Zweck darin, die NOx-Erzeugung zu verringern. Das gleiche Verfahren ist auch in US-A,297,842 beschrieben.
  • Ein weiteres Verfahren besteht darin, den Stickstoff durch einen Hilfskompressor zu leiten, um ihn in den Brennstoffstrom aus der Gasturbine einzuführen. Dadurch wird die NOx-Erzeugung verringert, weil die Flammentemperatur in der Verbrennungsanlage gesenkt wird. Diese Praxis ist in US-A-5,081,845, EP-A-0 137 152 und US-A-4,224,045 offenbart. Für dieses Verfahren ist ein kostspieliges Hilfskompressorsystem erforderlich; die Umsetzung ist also teuer. Außerdem ist bei diesem Verfahren eine übermäßig starke Kompression erforderlich, weil für das Einspritzen von Stickstoff in den Brennstoffstrom typischerweise ein Stickstoffdruck von 50 bis 150 psi (350 bis 1050 kPa) mehr als der Brenndruck von 200 bis 250 psia (1400 bis 1700 kPa) benötigt wird, so daß viel Energie durch die Druckabsenkung in der Brennanlage verloren geht.
  • Das direkte Einspritzen des Stickstoffs in den Brenner der Gasturbine zur Verringerung von NOx ist ein weiteres in GCC-Anlagen häufig verwendetes Verfahren. US-A- 4,729,217, 4,707,994, 4,697,415, 4,651,519, 4,631,915 und CA-A-1,238,195 beschreiben das Verfahren sowie mehrere kleinere Abwandlungen davon. Durch dieses Verfahren wird die NOx-Bildung verringert, aber auch hier ist eine kostspielige Hilfskompression auf übermäßig hohe Drücke erforderlich.
  • Bei einigen Verfahren wird der Stickstoff erhitzt und komprimiert, ehe er direkt in die Expansionsmaschine der Gasturbine gespritzt wird, um zusätzlichen Bewegungsfluß zu erzeugen. US-A-5,081,845, 5,076,837, 4,019,314 und 3,731,495 liefern eine detaillierte Beschreibung dieser Verfahren. Vermutlich wird durch diese Verfahren die Effizienz der Energieerzeugung verbessert, doch auch hier sind teure Zusatzanlagen für die Kompression erforderlich und die thermodynamische Effizienz der Hauptexpansionsmaschine wird verringert.
  • Ein weiterer Ansatz für die Nutzung des Stickstoffstroms ist in US-A-4,697,413 beschrieben. Dazu wird ein Hilfskompressor eingesetzt, um den Stickstoff in den Kohlevergaser einzuführen und die Hochtemperaturreaktion rasch abzukühlen.
  • Andere Nutzungsformen des Stickstoffstroms umfassen die Synthese von Verbindungen wie Ammoniak, wo der Stickstoff als Beschickungsstrom verwendet wird. Bei allen diesen Verfahren sind kostspielige zusätzliche Verfahrensanlagen erforderlich. Außerdem werden die Gesamtverfahren übermäßig komplex und sollen deshalb hier nicht beschrieben werden. In einigen Vergasersystemen wird ein kleiner Teil Stickstoff verwendet, um den Transport trockener Materialien zu erleichtern. Dabei wird jedoch nur ein Bruchteil des zur Verfügung stehenden Stickstoffs verwendet, so daß diese Systeme und ihre Verfahren hier nicht beschrieben sind.
  • Als weiterer Hintergrund sind in der Technik verschiedene Verfahren zur Kühlung der Luftkompressorbeschickung einer Gasturbine bekannt. Diese Verfahren, die ebenfalls teure und komplizierte Hilfsanlagen erfordern, sind in US-A-3,788,066, 3,796,045, 3,877,128 und 4,242,667 beschrieben.
  • Die Erfindung besteht aus einer Verbesserung eines Verfahrens zur Herstellung von Energie zur Erzeugung von Elektrizität oder zum Antrieb einer Vorrichtung unter Verwendung einer Gasturbine. Dabei wird ein Luftbeschickungsstrom komprimiert und mit einem Brenngas verbrannt, um ein Verbrennungsprodukt herzustellen. Dieses wird das in einer Gasturbinen-Expansionsmaschine expandiert, wodurch ein heißes Abgas sowie Energie hergestellt wird. Diese Energie wird dazu verwendet, Elektrizität zu erzeugen oder eine Vorrichtung anzutreiben.
  • Die Verbesserung des Verfahrens, mit dem die durch die Expansionsmaschine einer Gasturbine produzierte Energie erhöht wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß ein durch eine kryogene Lufttrennungseinheit hergestelltes Stickstoffprodukt auf eine Temperatur unterhalb des Umgebungswertes gekühlt und das auf den Wert unterhalb der Umgebungstemperatur gekühlte Stickstoffprodukt vor dem Komprimieren mit dem Luftbeschickungsstrom kombiniert wird.
  • Die durch die Erfindung zur Verfügung gestellte Verbesserung eignet sich besonders gut für das Verfahren, in dem mindestens ein Teil des durch die kryogene Lufttrennungsanlage hergestellten Sauerstoffprodukts in einer Vergasungsanlage mit einer kohlenstoffhaltigen Beschickung zur Umsetzung gebracht wird, um das an Kohlenmoxid und Wasserstoff reiche Brenngas herzustellen. Bei der in der Vergasereinheit zur Umsetzung gebrachten kohlenstoffhaltigen Beschickung kann es sich um Kohle, Erdölkoks, Teersandbitumen, Teersandemulsion, Abfall, Erdölrückstände, Altöl oder Mischungen davon handeln.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann außerdem die Option eines kombinierten Zyklus umfassen, bei dem das heiße Abgas gekühlt wird, um Dampf zu erzeugen. Dieser wird wiederum expandiert, um Elektrizität zu erzeugen.
  • Die Verbesserung weist zwei Hauptausführungsformen auf. Die erste ist auf eine Lufttrennungseinheit anwendbar, die bei erhöhtem Druck ein Stickstoffprodukt herstellt, d. h. eine Einheit, in der das Stickstoffprodukt bei einem Druck von mindestens 3 psi (20 kPa) mehr als am Lufteinlaß am Kompressor der Gasturbine hergestellt wird. In dieser Ausführungsform wird das Stickstoffprodukt expandiert, wodurch ein gekühltes Stickstoffprodukt entsteht, das dann mit der am Lufteinlaß am Kompressor der Gasturbine eintretenden Beschickungsluft vermischt wird.
  • Die zweite Ausführungsform eignet sich besonders für eine Lufttrennungseinheit, die ein Stickstoffprodukt bei typisch niedrigem Druck herstellt, d. h. eine Einheit, wo das Stickstoffprodukt bei einem Druck zwischen 0,5 und 3 psi (3 und 20 kPa) mehr als am Lufteinlaß des Kompressors der Gasturbine hergestellt wird. Sie kann jedoch auch für eine Lufttrennungseinheit angewendet werden, die ein Stickstoffprodukt bei erhöhtem Druck herstellt. In der zweiten Ausführungsform wird das Stickstoffprodukt durch direkten Kontakt mit Wasser gekühlt und gesättigt und das gekühlte Stickstoffprodukt mit der am Lufteinlaß am Kompressor der Gasturbine eintretenden Beschickungsluft vermischt.
  • Die zwei Ausführungsformen der Verbesserung können beide in das erfindungsgemäße Verfahren integriert werden. In anderen Worten, ein mit erhöhtem Druck hergestelltes Stickstoffprodukt wird expandiert und dann durch Kontakt mit Wasser in einer Kühl-/Sättigungsanlage weiter gekühlt und gesättigt.
  • Fig. 1 und 2 sind schematische Darstellungen der beiden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Zum besseren Verständnis der durch die Erfindung zur Verfügung gestellten Verbesserung wird sie anhand von zwei Ausführungsformen im einzelnen erörtert.
  • In einer ersten Hauptausführungsform besteht das verbesserte Verfahren darin, den in einer Lufttrennungseinheit bei erhöhtem Druck hergestellten überflüssigen Stickstoffstrom durch eine Expansionsmaschine zu leiten, um Energie zu erzeugen, und ihn auf Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur zu kühlen. Der gekühlte Strom wird dann in den Einlaß des Luftkompressors für die Gasturbine gespeist, wo er einen Teil der auf Umgebungstemperatur befindlichen Luftbeschickung verdrängt. Durch diese Modifikation wird die Beschickung des Gasturbinenkompressors gekühlt und verdichtet, was bedeutet, daß dessen Gasdurchsatz erhöht wird. Da der Stickstoffstrom im Vergleich zur normalen Luftbeschickung des Gasturbinenkompressors an Sauerstoff verarmt ist, verringert sich als Nebeneffekt der Sauerstoffgehalt des Oxidationsmittels mit dem Ergebnis, daß die Spitzentemperaturen der Flamme niedriger sind und damit auch die NOx-Erzeugung geringer ist. Fig. 1 zeigt ein Strömungsdiagramm dieses Verfahrens.
  • In Fig. 1 werden Beschickungsluft in der Leitung 10 und gekühlter Stickstoff mit niedrigem Druck in der Leitung 92 im Luftkompressor 20 der Gasturbine komprimiert, um einen komprimierten Brennluftstrom zu erzeugen. Dieser komprimierte Brennluftstrom in der Leitung 22 wird einem Brenngasin der Leitung 62 und wahlweise Dampf in der Leitung 52 zugeführt und in der Verbrennungsanlage 30 verbrannt, wodurch ein Verbrennungsproduktstrom entsteht. Dieser Verbrennungsproduktstrom in der Leitung 32 wird in eine Gasturbinenexpansionsmaschine 40 geführt und dort expandiert, wodurch ein heißer Abgasstrom und Elektrizität entstehen. Typischerweise sind die Gasturbinenexpansionsmaschine 40 und der Luftkompressor der Gasturbine 20 mechanisch miteinander verbunden.
  • Sowohl der heiße Abgasstrom in Leitung 42 als auch Dampf aus dem Kohlevergaser in Leitung 74 werden in den Dampfgenerator 50 zur Wärmeerzeugung eingespeist. Es wird darauf hingewiesen, daß die Ausführungsformen der Erfindung zwar anhand der Verwendung des Kohlevergasers 70 beschrieben werden, es sich bei diesem Vergaser jedoch um eine Anlage handeln kann, die jede kohlenstoffhaltige oder sonstige geeignete Beschickung verarbeitet. Der Zweck des Dampfgenerators für die Wärmegewinnung besteht darin, die Wärme aus dem heißen Abgasstrom und den Dampf aus dem Kohlevergaser zu gewinnen, um Elektrizität und Dampf von entsprechender Menge zur Verwendung an einer anderen Stelle des Verfahrens zu gewinnen. Beispielsweise kann ein Teil des Dampfes dazu verwendet werden, die Adsorptionsapparate für die Wärmeumkehr in der Lufttrennungseinheit 80 zu regenerieren. Ein warmes Abgas wird über die Leitung 58 aus dem Dampfgenerator 50 für die Wärmegewinnung abgelassen.
  • Im Vergaser 70 werden eine kohlenstoffhaltige Beschickung wie Kohle in Leitung 72 und Sauerstoff in Leitung 84 zur Umsetzung gebracht, um ein an Wasserstoff und Kohlenmonoxid reiches Synthesegas zu erzeugen. Dieses Synthesegas umfaßt das Brenngas in Leitung 62, das im Brenner verwendet wird.
  • In der Lufttrennungseinheit 80 wird komprimierte Luft in Leitung 82 kryogen in ein Sauerstoffprodukt mit erhöhtem Druck und ein Stickstoffprodukt mit erhöhtem Druck getrennt. Wichtig in dieser Erfindung ist, daß die komprimierte Luft in Leitung 82 entweder aus einem alleinstehenden Luftkompressor oder ganz bzw. teilweise aus dem Kompressor 20 stammen kann. Das Stickstoffprodukt mit erhöhtem Druck in Leitung 86 wird in der Expansionsmaschine 90 expandiert, wodurch in Leitung 92 ein gekühlter Stickstoffstrom mit niedrigem Druck und gleichzeitig Energie zur Erzeugung von Elektrizität entsteht.
  • Der bevorzugte Bereich von Bedingungen für den Stickstoffstrom mit erhöhtem Druck sind eine Temperatur von weniger als 100ºF (55ºC) über der Umgebungstemperatur, ein Druck von mehr als 3 psi (20 kPa) über dem Druck am Kompressoreinlaß der regulären Gasturbine und ein gesamter Massenfluß, der weniger als 20% der gesamten Massenflußgeschwindigkeit der Luftbeschickung des Gasturbinenkompressors ausmacht. Eine typische gesamte Massenflußgeschwindigkeit der Luftbeschickung des Gasturbinenkompressors für ein 290 MW GCC-System ist etwa 3,3 · 10&sup6; lb/h (1,5 · 10&sup6; kg/h). Die bevorzugten Bedingungen für den gekühlten Stickstoffstrom mit niedrigem Druck liegen in folgendem Bereich: eine Temperatur unter dem Wert Umgebungstemperatur minus 10ºF (5ºC) und ein Druck von etwas mehr (< 0,5 psi (3kPa)) als am Einlaß des Gasturbinenkompressors. Die Zusammensetzung des Stroms unterliegt keinen besonderen Einschränkungen; bevorzugt besteht er jedoch aus Stickstoff mit kleineren Mengen an anderen Gasen, unter anderem H&sub2;O, CO&sub2;, Ar und O&sub2;.
  • In der zweiten Hauptausführungsform eignet sich das verbesserte Verfahren besonders für Fälle, wo man eine mit herkömmlichem geringem Druck betriebene Lufttrennungseinheit verwendet und der zur Verfügung stehende Stickstoff nicht mit Wasser gesättigt ist. In dieser Ausführungsform bedient man sich einer Sättigungs- /Kühlvorrichtung, um den Stickstoffstrom zu kühlen, ehe er in den Einlaß des Gasturbinenkompressors eintritt. Dieses Kühlen: und Sättigen hat eine ähnliche Wirkung wie in der vorstehend beschriebenen ersten Hauptanwendung. Außerdem steigert diese Sättigungs-/Kühlvorrichtung den Massenfluß des Stickstoffstroms und erhöht seine Wärmekapazität, was das Verfahren zusätzlich verbessert. Diese Ausführungsform kann für Stickstoffströme mit niedrigem oder erhöhtem Druck sowie außerdem zusammen mit der vorstehend beschriebenen Expansionsmaschine eingesetzt werden. Je nach der relativen Feuchtigkeit der Hauptluftbeschickung kann die Sättigungsvorrichtung bis zu verschiedenen Sättigungsgraden betrieben werden, um Kondensationsprobleme im Gasturbinenkompressor zu verhindern. Das Fließdiagramm für diese Option (für einen Fall ohne Stickstoffexpandiermaschine) ist in Fig. 2 gezeigt. Ähnliche Verfahrensströme und Anlagenteile in Fig. 1 und 2 verwenden die gleiche Bezugsnummer; es werden nur die Unterschiede zwischen den beiden Zeichnungen beschrieben.
  • In Fig. 2 stellt die Lufttrennungseinheit 80 in Leitung 86 ein Stickstoffprodukt zur Verfügung, das in der Sättigungs-/Kühlvorrichtung 190 gekühlt und mit Wasser gesättigt wird. Dadurch entsteht ein gekühlter, mit Wasser gesättigter Stickstoffstrom in Leitung 192.
  • Die bevorzugten Bedingungen für den ungesättigten Stickstoffstrom liegen in folgendem Bereich: Temperatur weniger als 20ºF (10ºC) über der Umgebungstemperatur, ein Druck von mehr als 0,5 psi (3 kPa) über der regulären Kompressorbeschickung, weniger als 50% relative Luftfeuchtigkeit und ein gesamter Massenfluß von weniger als 20% der Massenflußgeschwindigkeit im Luftkompressor der Gasturbine. Wie vorstehend bereits erwähnt, beträgt eine typische Gesamtmassenflußgeschwindigkeit für die Luftbeschickung eines Gasturbinenkompressors in einem 290 MW GCC-System etwa 3,3 · 10&sup6; lb/h (1,5 · 10&sup6; kg/h). Die Bedingungen für den gekühlten gesättigten Stickstoffstrom liegen bevorzugt in folgendem Bereich: Temperatur unter der Umgebungstemperatur minus 10ºF (5ºC) und ein höherer Druck als der reguläre Kompressorbeschickungsdruck. Das in die Sättigungsvorrichtung eingespeiste Wasser hat vorzugsweise die Temperatur des Auffüllwassers für die Boilerbeschickung oder die Temperatur am Einlaß des Kühlwassers, je nachdem, welche niedrigem ist, und weist eine Bruttoflußgeschwindigkeit von weniger als 10% der Stickstoffflußgeschwindigkeit auf (6,6 · 10&sup4; lb/h (3 · 10&sup4; kg/h) für eine 290 MW GCC-Anlage). Etwaiges überschüssiges Wasser kann zurück zum Einlaß der Sättigungs-/Kühlvorrichtung geführt werden, da dieses Wasser eine niedrigere Temperatur hat und den Stickstoffstrom deshalb effektiver kühlt. Wird kein Wasser zurückgeführt, kann der Wasserstrom zusätzliches Kühlmittel aus gekühltem Wasser für die Lufttrennungseinheit zur Verfügung stellen. Diese zusätzliche Option ist durch die Strömungslinie 194 in Fig. 2 aufgezeigt. Der Fluß des überschüssigen Wassers kann so gesteuert werden, daß die Kühlkapazität möglichst effizient zwischen der Lufttrennungseinheit und dem Gasturbinensystem aufgeteilt wird. Es gibt keine weiteren Einschränkungen für die spezifische Zusammensetzung des Gasstroms, doch der Stickstoffstrom enthält bevorzugt eine größere Menge Stickstoff und kleinere Mengen an anderen Gasen einschließlich, aber nicht beschränkt auf H&sub2;O, CO&sub2;, Ar und O&sub2;.
  • Die durch die Erfindung zur Verfügung gestellte Verbesserung umfaßt auch eine Kombination der vorstehenden spezifischen Ausführungsformen. In diesem Fall wird Stickstoff mit erhöhtem Druck in einer Expansionsmaschine expandiert, um ihn zu kühlen und Elektrizität zu erzeugen. Anschließend wird der gekühlte expandierte Stickstoff durch den Kontakt mit Wasser in einer Kühl- /Sättigungsvorrichtung weiter gekühlt und gesättigt.
  • Die Erfindung ist insofern wertvoll, als sie eine erhöhte Energieerzeugung zu minimalen Kosten zur Verfügung stellt, ohne daß das Verfahren unerwünscht komplex oder unzuverlässig wird. Tabelle 1 faßt die Vorteile der Erfindung in bezug auf einen Basisfall zusammen, ohne daß der überflüssige Stickstoff wie durch eine Computersimulation kalkuliert integriert wird. Das für die Simulation ausgewählte System besteht aus einer Gasturbine, einem Wärmegewinnungssystem durch Dampferzeugung, einer wiederaufheizenden, extraktionsinduzierenden kondensierenden Dampfturbine mit Dreifachdruck 1450 psig/1000ºF/1000ºF (10 MPa/540ºC /540ºC), einem integrierten Kohlevergasungssystem und einer Lufttrennungseinheit (air separation unit = ASU), die entweder mit erhöhtem Druck oder mit niedrigem Druck arbeitet (ASU in Tabelle 1). Die Anlage für den Basisfall ist auf Umgebungsbedingungen angelegt: 59ºF (15ºC), 14,7 psia (101 kPa) und 60% relative Luftfeuchtigkeit, 65&sup0;F (18ºC) Kühlwasser, sowie ohne Integration zwischen der ASU und dem Rest der Anlage ausgelegt. Die Umgebungsbedingungen im Sommer zeigen die erhöhte Energiekapazität der Erfindung am besten und sind wie folgt definiert: 90ºF (32ºC) Umgebungstemperatur, 14,7 psia (101 kPa) und 50% relative Luftfeuchtigkeit. TABELLE 1 Gasturbinenbruttoleistung: MW Dampfturbinenbruttoleistung: MW Gas- und Dampfturbinenheizgeschwindigkeit: BTU/kWH (kJ/kWh) Veränderungen im Energiebedarf der ASU: MW Veränderungen im Gesamtenergienettoausstoß: MW Zusätzl. Kapitalaufwand: k§ Zusätzliche Energiekosten im Sommer: §/kW Geschätzter NOX-Ausstoß: vppm ISO Basisfall Sommerbasisfall Sommerfall Hinweis: ASU = Lufttrennungseinheit (Air Separation Unit) = der BTU/h (kJ/h) Heizwert der Brennstoffzufuhr pro kW Ausstoß elektrischer Energie
  • Die erste Ausführungsform mit einer Expansionsmaschine und einem Anlagenaufbau für die Lufttrennung bei erhöhtem Druck wie in Fig. 1 zeigt wurde unter zwei verschiedenen Bedingungen bewertet, die vorstehend mit Option 1A und 1B angegeben sind. Option 1A zeigt die Vorteile der Erfindung im Sommer, wenn die Gesamteffizienz der Anlage ihren höchsten Punkt erreicht. Für diese Option kann die Heizgeschwindigkeit der Gas- und Dampfturbine auf der Basis des Brennwerts eines synthetischen Gases auf Kosten einer Kapazitätsverringerung von 2,3. MW von 6001 BTU/KWh (6331 kJ/kWh) auf 5922 BTU/kWh (6248 kJ/kWh) bzw. um 79 BTU/kWh (83 kJ/kWh) verbessert werden. Option 1B zeigt die Vorteile der Erfindung im Sommer, wenn der Energieausstoß der Gesamtanlage am höchsten ist. Bei dieser Option kann der gesamte Nettoenergieausstoß der Anlage um 6,1 MW (2,3%) praktisch ohne Energieverlust und mit einem zusätzlichen Kapitalaufwand von nur 246 Dollar/kW erhöht werden.
  • Die Leistung der erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einer Sättigungs-/Kühlvorrichtung, wo die Anlage auf die Lufttrennung bei niedrigem Druck ausgerichtet ist, ist vorstehend als Option 2 aufgeführt. Diese Option wurde unter Sommerbedingungen bewertet, wobei der gekühlte gesättigte Stickstoffstrom maximal gekühlt wurde. Option 2 hat den Vorteil, daß der Nettoenergieausstoß der Gesamtanlage unter Sommerbedingungen bei einem zusätzlichen Kapitalaufwand von nur 263 Dollar/kW um 1,6 MW (0,6%) gesteigert wird.
  • Der größte Vorteil der Erfindung liegt in der Erhöhung der Spitzenerzeugungskapazität im Sommer bei Kosten, die erheblich geringer sind als die typischen Kosten einer Basisbeladung von etwa 1500 Dollar/kW. Hier zeigt sich, daß man mit den relativ niedrigen Kosten einer Erhöhung des Massenflusses des Gasturbinenkompressors eine verhältnismäßig große Wirkung auf den gesamten Energieausstoß erreichen kann.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Menge des NOx-Ausstoßes von 25 auf 9 vppm verringert werden kann.
  • Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Erfindung liegt darin, daß ein nicht integriertes Verfahren praktisch kaum komplizierter wird, da sich der einzige Integrationspunkt am Kompressoreinlaß der Gasturbine befindet. Somit kann die gesamte Anlage nach wie vor auf dem Niveau des Ausstoßes einer nicht integrierten Anlage betrieben werden, selbst wenn die zur Ausführung der Erfindung benötigten Teile aus dem Verfahren genommen werden. In der Energieerzeugungsindustrie sind die Verläßlichkeit des Verfahrens und ein Minimum an ungeplanten Auszeiten von sehr hohem Wert, so daß dieses Merkmal ein eindeutiger Vorteil ist. Da die Anwendung dieser Erfindung den Verfahrensfluß nicht erheblich stört, kann eine bereits existierende nicht integrierte GCC-Anlage ohne weiteres und zu zumutbaren Kosten nachgerüstet werden.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung von Energie zur Erzeugung von Elektrizität oder zum Antrieb einer Vorrichtung unter Verwendung einer Gasturbine, bei dem ein Luftbeschickungsstrom komprimiert und mit einem Brenngas verbrannt wird, um ein Verbrennungsprodukt herzustellen, das in einer Gasturbinen-Expansionsmaschine expandiert wird, wodurch ein heißes Abgas sowie Energie hergestellt wird, mit der Elektrizität erzeugt oder eine Vorrichtung angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch eine kryogene Lufttrennungseinheit hergestelltes Stickstoffprodukt auf eine Temperatur unterhalb des Umgebungswertes gekühlt und das auf den Wert unterhalb der Umgebungstemperatur gekühlte Stickstoffprodukt vor dem Komprimieren mit dem Luftbeschickungsstrom kombiniert wird, wodurch die in der Gasturbinen- Expanionsmaschine erzeugte Energie zunimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die kryogene Lufttrennungseinheit außerdem ein Sauerstoffprodukt erzeugt und mindestens ein Teil dieses Sauerstoffprodukts in einer Vergasungseinheit mit einer kohlenstoffhaltigen Beschickung zur Umsetzung gebracht wird, um das an Kohlenmonoxid und Wasserstoff reiche Brenngas herzustellen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das heiße Abgas gekühlt wird, um Dampf zu erzeugen.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Stickstoffprodukt bei einem Druck von mindestens 20 kPa (3 psi) mehr als dem regulären Druck des Lufteinlasses am Kompressor der Gasturbine erzeugt und expandiert wird, um das auf eine Temperatur unterhalb des Umgebungswertes gekühlte Stickstoffprodukt herzustellen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Stickstoffprodukt bei einem Druck zwischen 3 und 20 kPa (0,5 bis 3 psi) mehr als am Lufteinlaß am Kompressor der Gasturbine hergestellt und mit Wasser in Kontakt gebracht wird, um das auf eine Temperatur unterhalb des Umgebungswertes gekühlte Stickstoffprodukt herzustellen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Stickstoffprodukt bei einem Druck zwischen 3 und 20 kPa (0,5 und 3 psi) mehr als dem regulären Druck des Lufteinlasses am Kompressor der Gasturbine hergestellt und expandiert wird, um dadurch ein gekühltes expandiertes Stickstoffprodukt her zustellen und das gekühlte, expandierte Stickstoffprodukt dann mit Wasser in Kontakt gebracht wird, um das auf einen Wert unterhalb der Umgebungstemperatur gekühlte Stickstoffprodukt herzustellen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem das bei erhöhtem Druck hergestellte Stickstoffprodukt eine Temperatur von weniger als 55ºC (100ºF) über dem Umgebungswert und einen gesamten Massenfluß von weniger als 20% der Massenflußgeschwindigkeit der gesamten Luftbeschickung des Kompressors der Gasturbine aufweist und das Stickstoffprodukt mit einem Druck unterhalb des Umgebungswertes einen Druck von weniger als 3 kPa (0,5 psi) mehr als der Lufteinlaß am Kompressor der Gasturbine sowie eine Temperatur von weniger als Umgebungstemperatur minus 5ºC (10ºF) aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Stickstoffprodukt bei einem Druck zwischen 3 und 20 kPa (0,5 und 3 psi) mehr als dem regulären Druck des Lufteinlasses am Kompressor der Gasturbine hergestellt und mit Wasser in Kontakt gebracht wird, um das auf eine Temperatur unterhalb des Umgebungswertes gekühlte Stickstoffprodukt herzustellen.
9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 8, bei dem das ungesättigte Stickstoffprodukt vor dem Kontakt mit Wasser eine Temperatur von weniger als 10ºC (20ºF) über dem Umgebungswert, weniger als 50% relative Luftfeuchtigkeit und einen gesamten Massenfluß von weniger als 20% der Massenflußgeschwindigkeit der Kompressorluftbeschickung der Gasturbine aufweist und das Stickstoffprodukt mit einer Temperatur unter dem Umgebungswert eine Temperatur von weniger als dem Umgebungswert minus 5ºC (10ºF) aufweist.
10. Apparat für die Herstellung von Energie zur Erzeugung von Elektrizität oder zum Antrieb einer Vorrichtung unter Verwendung einer Gasturbine mit folgenden Bestandteilen:
einem Kompressor (20) für die Beschickungsluft (10);
einer Verbrennungsvorrichtung (30) für die Verbrennung eines Brenngases (62) mit der komprimierten Beschickungsluft (22) zur Erzeugung eines Verbrennungsprodukts (32);
einer Expansionsmaschine (40) für die Expansion des Verbrennungsprodukts (32) zur Erzeugung eines heißen Abgases (42) und von Energie zur Erzeugung von Elektrizität oder zum Antrieb einer Vorrichtung und
einer Lufttrennungseinheit (80), dadurch gekennzeichnet, daß der Apparat außerdem folgende Bestandteile umfaßt:
Kühlvorrichtungen (90; 190) zum Abkühlen eines durch die kryogene Lufttrennungseinheit (80) hergestellten Stickstoffprodukts (86) auf einen Wert unter der Umgebungstemperatur sowie
eine Vorrichtung (92) zum Kombinieren des auf einen Wert unter der Umgebungstemperatur gekühlten Stickstoffprodukts mit der Beschickungsluft (1) vor dem Einspeisen in den Kompressor (20).
11. Apparat nach Anspruch 10, der außerdem folgende Bestandteile umfaßt:
eine Vergasungseinheit (70) und
eine Vorrichtung (84), mit der der Vergasungseinheit (70) mindestens ein Teil eines Sauerstoffprodukts aus der kryogenen Lufttrennungseinheit (80) für die Umsetzung mit einer kohlenstoffhaltigen Beschickung (72) zur Erzeugung des Brenngases (62) zugeführt wird.
12. Apparat nach Anspruch 10 oder 11, der außerdem einen Dampfgenerator (50) zur Wiedergewinnung von Hitze umfaßt, in dem das heiße Abgas zur Erzeugung von Dampf abgekühlt wird.
13. Apparat nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Lufttrennungseinheit (80) das Stickstoffprodukt bei einem Druck von mehr als 20 kPa (3 psi) mehr als dem regulären Druck am Einlaß des Kompressors (20) einspeist und die Abkühlvorrichtung eine Expansionsmaschine (90) umfaßt.
14. Apparat nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem die Lufttrennungseinheit (80) das Stickstoffprodukt bei einem Druck von mehr als 20 kPa (3 psi) mehr als dem regulären Druck am Einlaß des Kompressors (20) einspeist und die Abkühlvorrichtung eine Abkühl-/Sättigungsvorrichtung (190) umfaßt, in der das Stickstoffprodukt mit Wasser in Kontakt gebracht wird.
15. Apparat nach einem der Ansprüche 10 bis 12, in dem die Lufttrennungseinheit (80) das Stickstoffprodukt bei einem Druck zwischen 3 und 20 kPa (0,5 und 3 psi) mehr als dem regulären Druck am Einlaß des Kompressors (20) einspeist und die Abkühlvorrichtung eine Abkühl-/Sättigungsvorrichtung (190) umfaßt, in der das Stickstoffprodukt mit Wasser in Kontakt gebracht wird.
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