EP1432892A1 - Verfahren zum betrieb einer kraftwerksanlage - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer kraftwerksanlage

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EP1432892A1
EP1432892A1 EP02775019A EP02775019A EP1432892A1 EP 1432892 A1 EP1432892 A1 EP 1432892A1 EP 02775019 A EP02775019 A EP 02775019A EP 02775019 A EP02775019 A EP 02775019A EP 1432892 A1 EP1432892 A1 EP 1432892A1
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EP
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air
power plant
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oxygen
plant according
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EP02775019A
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Hans Ulrich Frutschi
Timothy Griffin
Hans Wettstein
Dieter Winkler
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GE Vernova GmbH
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Alstom Technology AG
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a power plant according to the preamble of the independent claim.
  • Power plant systems are generally known which burn carbon-containing fuels with the supply of compressed atmospheric air.
  • combustion gases generated during combustion such as carbon dioxide (CO 2 ) and nitrogen oxides, represent a complex problem and are not least responsible for global warming.
  • a power plant with a closed or quasi-closed circuit is known from EP 0 953 748 A1.
  • the circuit is operated with a CO 2 -containing medium with an internal combustion of a fuel and the necessary oxygen. Excess CO 2 is removed from the circuit and introduced into a condensing system, the condensed CO 2 can then be disposed of in an environmentally friendly manner.
  • a closed or quasi-closed circuit with the addition of pure Oxygen also prevents atmospheric nitrogen from entering the flame, which means that no or only a small amount of nitrogen oxides are generated.
  • inert gases introduced with the fuel or oxygen accumulate in the process well above the initial concentration and can lead to a significant impairment of the efficiency of the process by shifting the thermodynamic properties of the working medium.
  • the composition of the fuel used cannot be influenced by the process described, but pure oxygen should be added to the process in order to keep the proportion of inert gases as low as possible
  • the invention has for its object to provide high purity oxygen at low cost in methods for operating a power plant of the type mentioned.
  • the advantages of the invention can be seen, inter alia, in that after leaving the coarse separation plant, the oxygen-enriched air, which therefore has a reduced mass flow, is passed into the air separation plant and processed there.
  • the upstream coarse separation plant can therefore make the conventional air separation plant much smaller and cheaper.
  • the permeated air component can be either oxygen or nitrogen, depending on the membrane type.
  • Fig. 1 shows a circuit of a gas turbine process with a closed circuit.
  • FIG. 1 shows a gas turbine with a closed or at least quasi-closed, i.e. largely closed cycle.
  • This gas turbine or gas turbine group consists aggregate of a compressor unit 1, a generator 19 coupled to this compressor 1, one with the compressor
  • turbomachines 1 and 3 can take place via a common shaft 20.
  • the compressor can also be equipped with an intercooler, not shown, or with means for isothermal cooling.
  • the circuit further comprises a cooler and / or heat recovery unit 4, a water separator 5, and a CO 2 demoulding system 6.
  • the CO 2 discharged via the CO 2 demoulding system 6 can, for example, is condensed via an unillustrated Auskondens mecanicsstrom and are then disposed of to the environment.
  • a circulating medium 21 largely consisting of CO 2 and possibly H 2 O, is compressed and fed to the combustion chamber 2.
  • a fuel mass flow 7, here for example natural gas or methane CH 4 , and an oxygen flow 12 are further fed to the combustion chamber 2 and in the combustion chamber
  • the resulting hot gas 22 here consisting essentially of the components CO 2 and H 2 O and possibly with inert gases supplied with the oxygen or the fuel, is fed to the turbine 3 and expanded there with the release of work.
  • the turbine outlet stream is fed to the cooler and / or waste heat processor 4 via a line 16 and cooled there.
  • the water precipitated by the cooling is excreted via the water separator 5.
  • the remaining circulating medium 21 from the majority of CO 2 is then fed back to the compressor 1. Since the components CO 2 and H 2 O resulting from the combustion are continuously removed, a cycle is created with a largely constant composition of the working medium.
  • the circulating medium can also be liquefied by heat dissipation, in which case a pump can be used instead of the compressor.
  • a cryogenic air separation plant 11 is used to produce the oxygen stream 12.
  • the cryogenic separation of mixtures, such as air, to obtain oxygen (O 2 ) and nitrogen (N 2 ) is known.
  • O 2 oxygen
  • N 2 nitrogen
  • the cryogenic air separation plant 11 is therefore preceded by a coarse separation plant 9 which operates according to a simple membrane principle and is designed in one or more stages, in which, for example, polymer membranes can be used.
  • the intake air 8 is enriched with oxygen by separating nitrogen.
  • the permeated air component can be either oxygen or nitrogen.
  • any necessary temperature control of the membrane module can be achieved by heat integration with the waste heat processor 4 or the cryogenic air separation unit 11. After leaving the coarse separation plant, the mass flow of air 10 enriched to at least 40 vol.% Oxygen and thus reduced by at least 50% is passed into the cryogenic air separation plant, which can thus be made much smaller and cheaper than without the upstream rough separation plant 9.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage mit einem geschlossenen oder quasi-geschlossenen Kreislauf, besteht die Kraftwerksanlage im wesentlichen aus mindestens einer Verdichtereinheit (1) oder einer Pumpe, mindestens einer Brennkammer (2), mindestens einer Turbine (3) und mindestens einer Wärmesenke (4). In der Brennkammer (2) reagiert ein Brennstoffmassenstrom (14) mit mindestens einem Sauerstoffstrom (12), die dadurch entstehenden überschüssigen Verbrennungsprodukte (CO2, H2O) werden dem Kreislauf an geeigneter Stelle (5, 6) entnommen und der der Brennkammer zugeführte Sauerstoffstrom (12) wird mittels einer Luftzerlegungsanlage (11) gewonnen. Der Luftzerlegungsanlage (11) werden Mittel (9) zur Grobzerlegung der zugeführten Luft (8) vorgeschaltet, um die der Luftzerlegungsanlage (11) zugeführte Luft (10) mit Sauerstoff anzureichern.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Stand der Technik
Allgemein sind Kraftwerksanlagen bekannt, welche kohlenstoffhaltige Brennstoffe unter Zuführung von komprimierter Atmosphärenluft verbrennen. Die bei der Verbrennung erzeugten Verbrennungsgase, wie Kohlendioxid (CO2) und Stickoxide, stellen jedoch ein vielschichtiges Problem dar und werden nicht zuletzt für die Klimaerwärmung verantwortlich gemacht.
Aus der EP 0 953 748 A1 ist eine Kraftwerksanlage mit einem geschlossenen oder quasi-geschlossenen Kreislauf bekannt. Der Kreislauf wird mit einem CO2- haltigen Medium mit einer inneren Verbrennung eines Brennstoffs und dem dazu nötigen Sauerstoff betrieben. Überschüssiges CO2 wird aus dem Kreislauf entnommen und in eine Auskondensierungsanlage eingeleitet, das auskondensierte CO2 kann dann umweltschonend entsorgt werden. Durch die Anwendung eines geschlossenen oder quasi-geschlossenen Kreislaufs mit Zugabe von reinem Sauerstoff wird zudem verhindert, dass Luftstickstoff in die Flamme kommt, wodurch keine oder nur geringfügig Stickoxide entstehen.
Aufgrund der Konzeption des Kreislaufs reichern sich jedoch mit dem Brennstoff oder dem Sauerstoff eingeschleppte Inertgase im Prozess bis weit über die Ausgangskonzentration an und können durch Verschiebung der thermodynamischen Eigenschaften des Arbeitsmediums zu einer deutlichen Beeinträchtigung der Effizienz des Prozesses führen. Die Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffes lässt sich durch den beschriebenen Prozess nicht beeinflussen, doch soll dem Prozess möglichst reiner Sauerstoff zugeführt werden, um den Anteil an Inertgasen möglichst gering zu halten
In den benötigten Quantitäten lässt sich Sauerstoff hoher Reinheit bis heute nur kryotechnisch erzeugen. Dabei werden die hohen Kosten für die Luftzerlegungsanlage, die den wirtschaftlichen Betrieb von Kraftwerksanlagen mit einem geschlossenen oder quasi-geschlossenen Kreislauf in Frage stellen, wesentlich durch die geringe Konzentration des Sauerstoffs in der Umgebungsluft und die daraus resultierenden grossen Massen- und Volumenströme in der Luftzerlegungsanlage verursacht.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage der eingangs genannten Art Sauerstoff hoher Reinheit mit geringen Kosten zur Verfügung zu stellen.
Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs erreicht. Kern der Erfindung ist es also, dass der Luftzerlegungsanlage Mittel zur Grobzerlegung der zugeführten Luft vorgeschaltet werden.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass nach Verlassen der Grobzerlegungsanlage die mit Sauerstoff angereicherte Luft, welche dadurch einen reduzierten Massenstrom aufweist, in die Luftzerlegungsanlage geleitet und dort verarbeitet wird. Durch die vorgeschaltete Grobzerlegungsanlage kann deshalb die herkömmliche Luftzerlegungsanlage sehr viel kleiner und preiswerter gestaltet werden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Grobzerlegungsanlage nach einem Membranverfahren oder einem Adsorptionsverfahren, beispielsweise einer Vacuum Swing Adsorption, zu betreiben. Im ersteren Falle kann der permeierte Luftbestandteil je nach Membrantyp entweder Sauerstoff oder Stickstoff sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung unwesentlichen Merkmale sind fortgelassen worden. Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.
Es zeigt: Fig. 1 eine Schaltung eines Gasturbinenprozesses mit geschlossenem Kreislauf.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Die einzige Fig. 1 zeigt eine Gasturbine mit geschlossenem oder zumindest quasigeschlossenem, d.h. zum grossen Teil geschlossenen Kreislauf. Diese Gasturbine bzw. Gasturbogruppe besteht aggregatemässig aus einer Verdichtereinheit 1 , einem mit diesem Verdichter 1 gekoppelten Generator 19, einer mit dem Verdichter
1 gekoppelten Turbine 3 und einer zwischen Verdichter 1 und Turbine 3 wirkenden Brennkammer 2. Die Kopplung der Strömungsmaschinen 1 und 3 kann über eine gemeinsame Welle 20 erfolgen. Der Verdichter kann auch mit einem nicht gezeigten Zwischenkühler oder mit Mitteln für eine isotherme Kühlung ausgestattet sein.
Der Kreislauf umfasst weiter einen Kühler und / oder Abwärmeverwerter 4, einen Wasserabscheider 5 und eine Cθ2-Entnahme 6. Das über die CO2-Entnahme 6 entnommene CO2 kann z.B. über eine nicht dargestellte Auskondensierungsanlage auskondensiert und dann umweltschonend entsorgt werden. Im Verdichter 1 wird ein Kreislaufmedium 21 , grösstenteils bestehend aus CO2 und gegebenenfalls H2O, verdichtet und der Brennkammer 2 zugeführt.
Der Brennkammer 2 werden weiter ein Brennstoffmassenstrom 7, hier z.B. Erdgas oder Methan CH4, und ein Sauerstoffstrom 12 zugeführt und in der Brennkammer
2 verbrannt. Das dabei entstehende Heissgas 22, hier im wesentlichen bestehend aus den Komponenten CO2 und H2O sowie ggf. mit dem Sauerstoff oder dem Brennstoff zugeführten Inertgasen, wird der Turbine 3 zugeführt und dort unter Abgabe von Arbeitsleistung entspannt. Über eine Leitung 16 wird der Turbinenaustrittsstrom dem Kühler und / oder Abwärmeverwerter 4 zugeführt und dort abgekühlt. Das durch die Abkühlung ausfallende Wasser wird über den Wasserabscheider 5 ausgeschieden. Das verbleibende Kreislaufmedium 21 aus mehrheitlich CO2 wird dann wieder dem Verdichter 1 zugeführt. Da die durch die Verbrennung entstehenden Komponenten CO2 und H2O kontinuierlich entfernt werden, entsteht ein Kreislauf mit weitgehend konstanter Zusammensetzung des Arbeitsmediums.
Das Kreislaufmedium kann auch durch Wärmeabfuhr verflüssigt werden, wobei dann an Stelle des Verdichters eine Pumpe verwendet werden kann.
Zur Herstellung des Sauerstoffstroms 12 wird z.B. eine kryogene Luftzerlegungsanlage 11 verwendet. Die kryogene Auftrennung von Gemischen, wie Luft zwecks Gewinnung von Sauerstoff (O2) und Stickstoff (N2), ist bekannt. In diesem Zusammenhang sei beispielsweise auf das Zwei-Kolonnen-Verfahren der Linde AG verwiesen. Luftzerlegungsanlagen verursachen jedoch hohe Kosten, die in erster Linie von den durchzusetzenden Massen- oder Volumenströmen abhängen. Der kryogenen Luftzerlegungsanlage 11 wird deshalb erfindungsgemäss eine nach einem einfachen Membranprinzip arbeitende, ein- oder mehrstufig ausgelegte Grobzerlegungsanlage 9 vorgeschaltet, in der z.B. Polymermembranen zum Einsatz kommen können. In der Grobzerlegungsanlage wird die angesaugte Luft 8 mit Sauerstoff angereichert, indem Stickstoff abgeschieden wird. Je nach Membrantyp kann der permeierte Luftbestandteil entweder Sauerstoff oder Stickstoff sein. Eine gegebenenfalls notwendige Temperierung des Membranmoduls kann durch Wärmeintegration mit dem Abwärmeverwerter 4 oder der kryogenen Luftzerlegungsanlage 11 erreicht werden. Nach Verlassen der Grobzerlegungsanlage wird der auf mindestens 40 Vol.% Sauerstoff angereicherte und damit um mindestens 50% reduzierte Massenstrom Luft 10 in die kryogene Luftzerlegungsanlage geleitet, die damit sehr viel kleiner und preiswerter gestaltet werden kann, als ohne die vorgeschaltete Grobzerlegungsanlage 9.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Bezugszeichenliste
1 Verdichter
2 Brennkammer
3 Turbine
4 Kühler und / oder Abwärmeverwerter
5 Wasserabscheider
6 Cθ2-Entnahme
7 Brennstoffmassenstrom
8 Luftzufuhr
9 Grobzerlegungsanlage
10 Reduzierter Massenstrom Luft
11 Kryogene Luftzerlegungsanlage
12 Sauerstoffstrom
16 Leitung
19 Generator
20 Gemeinsame Welle
21 Kreislaufmedium
22 Heissgas

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage mit einem geschlossenen oder quasi-geschlossenen Kreislauf, wobei die Kraftwerksanlage im wesentlichen aus mindestens einer Verdichtereinheit (1) oder einer Pumpe, mindestens einer Brennkammer (2), mindestens einer Turbine (3) und mindestens einer Wärmesenke (4) besteht, wobei in der Brennkammer (2) ein Brennstoffmassenstrom (14) mit mindestens einem Sauerstoffstrom (12) zu einem Heissgas reagiert, welches in der mindestens einen Turbine (3) ar- beitsleistend entspannt wird, und die entstehenden überschüssigen Verbrennungsprodukte (CO2, H2O) dem Kreislauf an geeigneter Stelle (5, 6) entnommen werden, dadurch gekennzeichnet, dass der der Brennkammer (2) zugeführte Sauerstoffstrom (12) mittels einer Luftzerlegungsanlage (11) gewonnen wird und dieser Luftzerlegungsanlage (11) Mittel (9) zur Grobzerlegung der zugeführten Luft (8) vorgeschaltet sind, um die der Luftzerlegungsanlage (11 ) zugeführte Luft (10) mit Sauerstoff anzureichern.
2. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzerlegungsanlage (11 ) nach dem kryogenen Prinzip arbeitet.
3. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (9) zur Grobzerlegung der zugeführten Luft auf einem mindestens einstufigen Membranverfahren beruht.
4. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (9) zur Grobzerlegung der zugeführten Luft auf einem Verfahren der Vacuum Swing Adsorption beruht.
5. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass durch das Mittel (9) zur Grobzerlegung der zugeführten Luft (8) der Sauerstoffanteil der der Luftzerlegungsanlage (11 ) zugeführten Luft (10) auf mindestens 40 Volumenprozent (40 Vol.%) erhöht wird.
6. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die permeierte Luftkomponente Sauerstoff ist.
7. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die permeierte Luftkomponente Stickstoff ist.
8. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine für den Membranprozess benötigte Wärme durch Wärmeintegration mit dem Abwärmeverwerter (4) des Gasturbinenprozesses zur Verfügung gestellt wird.
9. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine für den Membranprozess benötigte Kälte durch Wärmeintegration mit der Luftzerlegungsanlage (11 ) zur Verfügung gestellt wird.
EP02775019A 2001-09-25 2002-09-24 Verfahren zum betrieb einer kraftwerksanlage Withdrawn EP1432892A1 (de)

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