EP1776516A1 - Method for generating energy in an energy generating installation comprising a gas turbine, and energy generating installation for carrying out said method - Google Patents

Method for generating energy in an energy generating installation comprising a gas turbine, and energy generating installation for carrying out said method

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Publication number
EP1776516A1
EP1776516A1 EP05777710A EP05777710A EP1776516A1 EP 1776516 A1 EP1776516 A1 EP 1776516A1 EP 05777710 A EP05777710 A EP 05777710A EP 05777710 A EP05777710 A EP 05777710A EP 1776516 A1 EP1776516 A1 EP 1776516A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
separator
turbine
compressor
gas turbine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05777710A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
David John Dr. Abbott
Dominikus Dr. BÜCKER
Timothy Dr. Griffin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP1776516A1 publication Critical patent/EP1776516A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/34—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid with recycling of part of the working fluid, i.e. semi-closed cycles with combustion products in the closed part of the cycle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • the present invention relates to the field of power generation technology. It relates to a method for generating energy in a gas turbine comprising a power generation plant according to the preamble of An ⁇ claim 1 and a power generation plant for carrying out the Verfah ⁇ rens.
  • CO 2 capture methods In these methods, the CO 2 generated during combustion is removed from the exhaust gases by an absorption process, membranes, refrigeration processes, or combinations thereof.
  • Methods for carbon depletion of the fuel In these methods, the fuel is converted into H 2 and CO 2 before combustion and it is thus possible to trap the carbon content of the fuel before it enters the gas turbine.
  • Oxy-fuel processes with exhaust gas recirculation In these systems, almost pure oxygen is used instead of air as an oxidizing agent, resulting in a flue gas of carbon dioxide and water.
  • the object is achieved by the entirety of the features of claims 1 and 25 ge.
  • the essence of the invention is to provide a CO 2 separation with Section Wegecuring ⁇ tion of the flue gas and at the same time to take measures to compensate for the associated with the CO 2 separation efficiency losses in the gas turbine cycle.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the carbon dioxide (CO2) is only partially separated from the circulating gas. Due to the partial separation of the CO2 from the recirculated and compressed flue gas, it is possible to achieve higher CO 2 concentrations and thus an improved separation efficiency.
  • CO2 carbon dioxide
  • Another preferred embodiment is characterized in that air is enriched with oxygen to generate the gas containing the gas turbine supplied to the compressor.
  • the oxygen enrichment improves the CO 2 separation. It would increase the firing temperature, if not at the same time more flue gas recirculated or water or steam would be added.
  • a further preferred embodiment of the invention is characterized in that the expanded flue gas is used before the branching of the partial flow in a Ab ⁇ heat steam generator for generating steam.
  • the oxygen-containing gas is compressed in the compressor in at least two compressor stages connected in series, the oxygen-containing gas is intermediately cooled between the two compressor stages, the recirculated flue gas is added to the oxygen-containing gas before the first compressor stage, and the carbon dioxide (CO 2 ) is separated from the intercooled, oxygen-containing gas prior to entering the second compressor stage.
  • the CO2 separation after intermediate cooling in a multi-stage compressor integrates the partial separation of CO2 into a gas turbine cycle with high efficiency. It can be used derived from the aerospace components that have pressure ratios of about 30 bar, typically 45 bar.
  • the temperatures reached after the intermediate cooling (15 0 C to 100 0 C, best between see 5O 0 C and 6O 0 C) are well suited for standard CO 2 separation, such as CO 2 membrane units.
  • the oxygen-containing gas is passed through a CO 2 separator for separating the carbon dioxide (CO 2 ), and the amount of gas flowing through the CO 2 separator is adjusted by means of an adjustable valve, which is bypassed to CO 2 -Separator is arranged.
  • the valve also serving the control is fully opened during the start-up phase, during the partial load operation or during an emergency shutdown to short-circuit the CO 2 separator.
  • a further improvement results when the branched partial flow of the flue gas is cooled before the return in a cooler, wherein the Partial flow optional water is extracted. This results in a lower compression work in the first compressor stage, as well as an increased Wasser ⁇ withdrawal.
  • the cooler can be used to control the temperature at Ein ⁇ enters the compressor.
  • a flexible mode of operation results from the fact that the diverted partial flow is interrupted when the gas turbine cycle is to be run in a standard mode without separation of carbon dioxide (CO2).
  • CO.sub.2 carbon dioxide
  • the membranes are saturated with water.
  • the cooled gas stream is saturated with water.
  • inlet fogging see, for example, the article by CB Meher-Homji and TR Mee IM, Gas Turbine Power Augmentation by Fogging of Inlet Air, Proc. of 28th Turbomachinery Symposium, 1999, pp. 93-113).
  • a second alternative development of the invention is characterized in that the diverted substream of the flue gases is compressed in a separate compressor prior to the return to the gas turbine, wherein in particular the carbon dioxide (CO2) is separated from the compressed substream of the flue gas and the compressed substream is subsequently separated the oxygen-containing gas is added in front of the combustion chamber, and for separating the carbon dioxide (CO2), the compressed partial flow is passed through a CO 2 separator, and the amount of gas flowing through the CO 2 separator by means of a adjustable valve is set, which is arranged in a bypass to the CO 2 separator. Furthermore, the compressed partial stream is cooled before entering the CO 2 separator in a condenser.
  • CO2 carbon dioxide
  • the diverted partial flow of the flue gas is cooled before returning in a cooler and the partial flow while water is optionally withdrawn, and if the relaxed in the turbine of the gas turbine flue gas is reheated and relaxed again in another turbine, and the white ⁇ tere turbine is used to drive the separate compressor.
  • the use of a separate compressor for the recirculated flue gas allows a higher CO 2 concentration in the CO 2 separation. The separation takes place at the full compressor pressure (best at about 30 bar) with a single Ver ⁇ dichtercode.
  • the intermediate heating results in a higher energy density in the cyclic process and reduces the NOx emissions of the process.
  • the intermediate heating (by means of a second combustion chamber) further enables a more stable combustion in the first combustion chamber because of the greater oxygen excess ratio at a predetermined total return rate. This also results in a greater flexibility in the process management, such as in the Verän ⁇ tion of heat release in the first and second combustion chamber.
  • a third alternative development of the invention is characterized in that the carbon dioxide (CO 2 ) is separated from the flue gas expanded in the turbine of the gas turbine, and that after the separation of the carbon dioxide (CO 2 ) a partial flow branches off and to the inlet of the compressor of the gas turbine is returned, in particular the ent ⁇ in the turbine of the gas turbine ent ⁇ stretched flue gas before separating the carbon dioxide (CO 2 ) cooled in a condenser and the flue gas while water is removed, and the flue gas in the turbine of the gas turbine to a few bar relaxed and the Flue gas after the separation of carbon dioxide (CO 2 ) is further relaxed in an exhaust gas turbine.
  • a preferred embodiment of the power generation plant according to the invention is characterized in that before the entrance of the compressor of the gas turbine an oxygen enrichment device preferably having air separation membranes is arranged to enrich the air sucked in by the compressor with oxygen, and that in the exhaust gas line a heat recovery steam generator An ⁇ is ordered.
  • a particularly high efficiency of the system can be achieved if the compressor of the gas turbine comprises two compressor stages, if the CO 2 separator is arranged between the two compressor stages, if between the output of the first compressor stage and the input of the CO 2 separator an intermediate cooler is provided, and when the return line is returned to the input of the first compressor stage.
  • the CO 2 separator is bridged with a bypass, in which an adjustable valve is arranged.
  • a development of this embodiment is characterized in that the return line is returned to the input of the combustion chamber, that in the return line behind a separate compressor and the CO 2 - are arranged separator that provided between the separate compressor and the C ⁇ 2 -Separator a cooler is, and that the C ⁇ 2 separator is bridged with a bypass, in which an adjustable valve is arranged.
  • FIG. 1 is a simplified system diagram of a power generation plant according to a first embodiment of the invention with a a two-stage compressor with intermediate cooling in the gas turbine;
  • FIG. 2 shows a simplified system diagram of a power generation plant according to a second exemplary embodiment of the invention with a second gas turbine for compressing the recirculated flue gas;
  • FIG 3 shows a simplified system diagram of a power generation plant according to a third exemplary embodiment of the invention, in which the recirculation of the flue gas takes place after the separation of the CO 2.
  • FIG. 1 shows a simplified system diagram of a power generation plant 10 according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • the power generation plant 10 comprises a gas turbine 12 with two compressor stages 13 and 14 connected in series, a combustion chamber 15 and a turbine 16, which drives a generator 28.
  • Compressor stages 13, 14 and turbine 16 sit in the usual way on a common shaft.
  • the compressor stages and the turbine can also be arranged on several shafts, whereby the turbine can additionally also be subdivided into two or more stages.
  • the first compressor stage 13 sucks air 23, which is enriched with oxygen before compression by removal of nitrogen N 2 in an oxygen enrichment device 11.
  • the optional oxygen-enriched air is added to the output of the system recirculated flue gas.
  • the resulting, oxygen-enriched gas is precompressed in the first compressor stage 13, then cooled in an intermediate cooler 18 and then fed to the second compressor stage 14 for densification.
  • a CO 2 separator 19 Deprived of carbon dioxide (CO 2 ).
  • a bypass 33 provided past the CO 2 separator 19 and provided with a first adjustable valve 21 makes it possible to adjust the throughput through the CO 2 separator 19 and thus the amount of CO 2 removed in total.
  • the gas recompressed in the compressor stage 14 is conducted into the combustion chamber 15 for combustion of a fuel.
  • the hot flue gas produced during the combustion process is expanded in the turbine 16 under operating power and then passes through a heat recovery steam generator (HRSG) 17, where it generates steam for a steam turbine or other purposes.
  • HRSG heat recovery steam generator
  • the flue gas is removed via an exhaust pipe 24.
  • Branching off from the exhaust pipe 24, a portion of the flue gas is returned via a return line 34 to the input of the first compressor stage 13 and - as already described above - the (optionally) mixed with oxygen-enriched air.
  • a valve 22 and a radiator 20 are arranged in the return line 34. With the aid of the valve 22, the return rate can be set or the feedback can be completely interrupted.
  • the cooler 20 reduces the Kom ⁇ pressionsaille by the cooling of the flue gas. He can also extract water from the recirculated flue gas.
  • the core of the gas turbine cycle process shown in FIG. 1 is the combination of a flue gas recirculation with partial separation of CO 2 and a highly efficient turbine cycle process with multi-stage compression and intermediate cooling.
  • a higher recirculation ratio is advantageous because it maximizes the CO 2 concentration in the by the intercooler 18 and the CO 2 separator 19th
  • the enrichment of the intake air with oxygen which within the oxygen enrichment device 11, for example, by the use of at low temperature Turen working air separation membranes can be achieved at vor ⁇ given firing temperature of the gas turbine 12 a stronger return of the flue gas.
  • the plant shown in FIG. 1 has the following properties and advantages:
  • the CO 2 separator 19 Due to the partial separation of the CO2 from the recirculated and precompressed flue gas, the CO 2 separator 19 can be used to achieve higher CO 2 concentrations and thus better efficiencies in the CO 2 separation. - With the valve 21, it is possible, the proportion of the by the C ⁇ 2 -Separator
  • valve 21 can be fully opened in order to short-circuit the CO 2 separator 19.
  • valve 22 in the return line 34 can be used during malfunctions, in partial load operation or in the start-up phase to run the process in standard mode without CÜ 2 separation.
  • the temperatures reached at the outlet of the intercooler (2O 0 C to 100 0 C, insbesonde ⁇ between 5O 0 C and 6O 0 C) are those of the standard CO 2 separation process, such as in a CO 2 membrane unit adapted. Certain CO 2 membrane units are usually wet
  • the CO 2 separator 19 can thus be integrated into concepts with spray intercooling or with inlet fogging at medium pressures upstream of the aftercooler stage -
  • the optional enrichment with oxygen enables an increased return of the flue gas (note: The enriched O 2 increases the firing temperature, if not at the same time the diluting constituent is increased, which can be done either by an increased flue gas recirculation or by the addition of water or steam).
  • the condenser 20 in the return line 34 allows increased recovery of water at the expense of a stronger cooling.
  • the plant scheme of the embodiment shown in Fig. 2 comprises two gas turbines 12 and 12 'in a power plant 30.
  • the first gas turbine 12 includes a compressor 25, a combustion chamber 15, and a turbine 16 that drives a first generator 28.
  • sucked-in air 23 (optional) is enriched with oxygen in an oxygen enrichment device 11, compressed in the compressor 25 and used for combustion of fuel in the combustion chamber 15.
  • the hot flue gases are first expanded in the turbine 16 of the first gas turbine 12 and then in the turbine 16 'of the second gas turbine 12'.
  • an additional heating in a reheater 27 (sequential combustion) can be made.
  • the expanded flue gas is subsequently passed through a heat recovery steam generator 17 and discharged in an exhaust gas line 24.
  • a portion of the flue gas is in turn recycled and admixed directly in front of the combustion chamber 15 of the oxygen-enriched and compressed air.
  • the necessary compression takes place in the compressor 25 'of the second gas turbine 12', which at the same time can drive a second generator 28 '.
  • the recirculated flue gas is cooled after compression in a cooler 26 'and then partially freed of carbon dioxide in a CO 2 separator 19.
  • a bypass 33 with valve 21 can also be provided here.
  • a second valve 21 ' can again be used in front of the CO 2 separator 19.
  • a regenerative heat exchanger 26 can be arranged in front of the cooler 26 'in which the low-CO 2 gas leaving the CO 2 separator 19 is preheated prior to combustion in a thermodynamically efficient manner and thus a large part of the cooling capacity of the Heat exchanger 26 zu ⁇ is recovered.
  • the valve 22 and the radiator 20 in the return line 34 perform the same functions as in Fig. 1.
  • the bypass 33 should necessarily bridge the C ⁇ 2 separator 19 and the two coolers 26 and 26 ', since otherwise cooled in front of the combustion chamber 15, which is thermodynamically unfavorable.
  • the separate compressor 25 allows a higher CO 2 concentration and thus an increase in the effectiveness of the CO 2 separation. At the same time, the efficiency of the process increases due to the intermediate heating.
  • the plant shown in FIG. 2 accordingly has the following properties and advantages:
  • interheater reduces the NOx emission in the process.
  • the use of intermediate heating makes possible a more stable combustion in the first burner (combustion chamber 15) owing to the greater oxygen excess ratio at a given total recirculation rate. This results in a greater flexibility in the control of the process, that is, a larger range of variation in the heat release in the first and second burner (reheater 27).
  • the compressors and turbines can also be connected to one another in a manner deviating from FIG. 2 in order to enable the use of a power turbine which is free (on a separate shaft).
  • the CO 2 separation would take place at a lower pressure, but overall a higher system pressure could be achieved.
  • the bypass would then only include the CO 2 absorber unit, but not the coolers, which would also be non-regenerative.
  • the plant scheme of the embodiment shown in FIG. 3 discloses a power plant 32 having a gas turbine 12 with compressor 25 ', fuel Chamber 15 and turbine 16 and downstream heat recovery steam generator 17. After passing through the heat recovery steam generator 17, the flue gas is dewatered in a condenser 20 and then partially freed from the carbon dioxide in the CO 2 separator 19. Only after the CU2 separation is a part of the flue gas via the return line 34 to the input of the compressor 25 'zugur ⁇ out and mixed with the sucked and oxygen-enriched air 23 ver ⁇ . The remainder of the flue gas can be further expanded in an optional, downstream exhaust gas turbine 29.
  • the air 23 arriving at the inlet and enriched with oxygen in the oxygen enrichment device 11 can be precompressed in a compressor 25 and optionally intermediately cooled in an intermediate cooler 35.
  • a pressure ratio of 10 in the pre-compression (compressor 25) of the oxygen-containing gas and a pressure ratio of 10-20 in the main compression (25 ') could be selected. If very enriched air is used then an efficient process can be achieved.
  • the carbon dioxide is separated before recycling. Although the CO 2 is separated off at a lower pressure, a high CO 2 partial pressure results due to the dewatering.
  • the plant shown in FIG. 3 has the following properties and advantages accordingly:
  • Water can be injected (not shown in FIG. 3) in order to reduce the combustion NOx emissions and to reduce the degree of flue gas recirculation required for a preselected CO 2 exhaust gas concentration.
  • the water injection can also be used in processes without flue gas recirculation, in order to allow an efficient tail-end CO 2 separation after the water condensation, in the limiting case sufficient water could be added to the process to achieve combustion with ⁇ close to 1 at reasonable temperatures without flue gas recirculation.

Abstract

The invention relates to a method for generating energy in an energy generating installation (10) comprising a gas turbine (12). According to said method, in a first step, a gas containing oxygen is compressed in a compressor (13, 14) of the gas turbine (12); in a second step, the compressed gas is supplied to a combustion chamber (15), with addition of fuel, in view of a combustion; in a third step, the hot waste gas from the combustion chamber (15) is expanded in a turbine (16) of the gas turbine (12), under the effect of work output; and in a fourth step, a branched-off partial current of the expanded waste gas is redirected into a part of the gas turbine (12) located upstream of the combustion engine (15), and compressed. One such method enables a reduction of the CO2 emission with a minimum loss of efficiency, by the separation of carbon dioxide (CO2) from the circulating gas in a CO2 separator (19), and by measures taken to compensate the loss of efficiency in the gas turbine continuous process, related to the CO2 separation.

Description

VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG VON ENERGIE IN EINER EINE GASTURBINE UMFASSENDEN ENERGIΞERZEUGUNGSANLAGE SOWIE ENERGIEERZEUGUNGSANLAGE ZUR DURCHFÜHRUNG DES VERFAHRENS METHOD FOR GENERATING ENERGY IN A GAS TURBINE ENGINEERING SYSTEM AND ENERGY PRODUCTION SYSTEM FOR IMPLEMENTING THE PROCESS
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Energieerzeugungs¬ technik. Sie betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Energie in einer eine Gastur- bine umfassenden Energieerzeugungsanlage gemäss dem Oberbegriff des An¬ spruchs 1 sowie eine Energieerzeugungsanlage zur Durchführung des Verfah¬ rens.The present invention relates to the field of power generation technology. It relates to a method for generating energy in a gas turbine comprising a power generation plant according to the preamble of An¬ claim 1 and a power generation plant for carrying out the Verfah¬ rens.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Aufgrund ihrer breiten Verfügbarkeit und ihres niedrigen Preises werden fossile Brennstoffe nach Vorhersagen die Hauptenergiequelle für die Stromerzeugung für die nächsten 20 bis 50 Jahre bleiben. Der Bedarf an elektrischer Energie wird in diesem Zeitraum mit etwa 2-3% pro Jahr zunehmen. Zur gleichen Zeit ist es erfor¬ derlich, das von Kraftwerken abgegebene CO2 deutlich zu reduzieren, um die CO2-Konzentration in der Atmosphäre zu stabilisieren.Due to their broad availability and low price, fossil fuels are predicted to remain the main source of electricity generation for the next 20 to 50 years. The demand for electrical energy will increase at about 2-3% per year during this period. At the same time it is erfor¬ sary to reduce the output of power plants CO 2 significantly to the CO 2 concentration to stabilize in the atmosphere.
Gestiegene CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre sind mit der globalen Erwär- mung in Verbindung gebracht worden. Aus diesem Grund erwägen internationale Agenturen und lokale Regierungen derzeit die Einrichtung von Abgabensystemen und werden möglicherweise Begrenzungen für die zukünftigen CO2-Emissionen von Kraftwerken einführen. Es werden daher technologische Optionen benötigt, welche die fortdauernde Nutzung von fossilen Brennstoffen ohne die damit ver- bundenen hohen CO2-Emissionen ermöglichen. Gleichzeitig werden ein hoher Wirkungsgrad und niedrige Anlagenkosten massgebliche Faktoren beim Bau und Betrieb eines Kraftwerks bleiben. Es sind bereits verschiedene Projekte mit dem Ziel gestartet worden, auf Gastur¬ binen basierende Prozesse mit geringer Emission zu entwickeln. Es gibt drei her¬ kömmliche Wege zur Reduzierung der Cθ2-Emission aus solchen Kraftwerken:Increased CO 2 concentrations in the atmosphere have been linked to global warming. As a result, international agencies and local governments are currently considering setting up tax systems and may introduce limitations on future CO 2 emissions from power plants. Therefore, technological options are needed that enable the continued use of fossil fuels without the associated high CO 2 emissions. At the same time, high efficiency and low equipment costs will remain key factors in the construction and operation of a power plant. Various projects have already been started with the aim of developing low emission gas turbine-based processes. There are three conventional ways to reduce the CO 2 emission from such power plants:
1. Methoden zum ausgangsseitigen Abfangen des CO2: Bei diesen Methoden wird das während der Verbrennung erzeugte CO2 aus den Abgasen durch einen Absorptionsprozess, Membranen, kältetechnische Prozesse oder Kombinationen davon entfernt.1. CO 2 capture methods: In these methods, the CO 2 generated during combustion is removed from the exhaust gases by an absorption process, membranes, refrigeration processes, or combinations thereof.
2. Methoden zur Kohlenstoffentreicherung des Brennstoffs: Bei diesen Metho¬ den wird der Brennstoff vor der Verbrennung in H2 und CO2 umgewandelt und es wird so möglich, den Kohlenstoffgehalt des Brennstoffs vor dem Ein¬ tritt in die Gasturbine abzufangen.2. Methods for carbon depletion of the fuel: In these methods, the fuel is converted into H 2 and CO 2 before combustion and it is thus possible to trap the carbon content of the fuel before it enters the gas turbine.
3. Sauerstoff-Brennstoff-Prozesse („oxy-fuel process") mit Abgasrückführung: Bei diesen wird nahezu reiner Sauerstoff anstelle von Luft als Oxidations- mittel verwendet, wodurch ein Rauchgas aus Kohlendioxid und Wasser ent- steht.3. Oxy-fuel processes with exhaust gas recirculation: In these systems, almost pure oxygen is used instead of air as an oxidizing agent, resulting in a flue gas of carbon dioxide and water.
Jeder dieser Wege ist jedoch mit Nachteilen behaftet, die sich in einer Verringe¬ rung des Wirkungsgrades, in einer Zunahme der Kapitalkosten für das Kraftwerk oder in notwendigen Umbaumassnahmen für die Turbomaschinen niederschla- gen.Each of these ways, however, has disadvantages which are reflected in a reduction in the degree of efficiency, in an increase in the capital costs for the power plant or in necessary conversion measures for the turbomachinery.
Es besteht daher ein grosser Bedarf für einen Gasturbinen-Kreisprozess mit ma¬ ximalem Wirkungsgrad, niedrigen Gesamtkosten und einer Option für die Entfer¬ nung von CO2.There is therefore a great need for a gas turbine cycle with maximum efficiency, low overall costs and an option for the removal of CO 2 .
Um den Wirkungsgrad von mit Gasturbinen ausgestatteten Kombikraftwerken zu erhöhen und die Kosten zu verringern, sind die folgenden Optionen denkbar:In order to increase the efficiency of gas turbine-equipped combined cycle power plants and to reduce costs, the following options are conceivable:
- Die Erhöhung der Turbineneinlasstemperatur.- The increase of turbine inlet temperature.
- Die Erhöhung des Gesamt-Druckverhältnisses. - Der Einsatz eines Gasturbinen-Kreisprozesses mit Zwischenerhitzung. Mit den ersten beiden Optionen sind gewisse physikalische Grenzen verknüpft. So nehmen beispielsweise NOx-Emissionen mit höheren Verbrennungstemperaturen zu und die Werkstoffe der Turbinenschaufeln haben bei hohen Temperaturen ihre Festigkeitsgrenzen. Das Druckverhältnis für einen ungekühlten Ein-Wellen- Verdichter ist andererseits wegen der Wirkung der hohen Temperatur der kompri¬ mierten Luft auf die Rotorwerkstoffe begrenzt.- The increase of the total pressure ratio. - The use of a gas turbine cycle process with reheat. There are certain physical limits associated with the first two options. For example, NOx emissions increase with higher combustion temperatures, and turbine blade materials have their strength limits at high temperatures. On the other hand, the pressure ratio for an uncooled single-shaft compressor is limited to the rotor materials due to the effect of the high temperature of the compressed air.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung von Energie auf der Basis eines Gasturbinen-Kreisprozesses und eine Energieerzeugungsanlage zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, welche ohne wesentliche Einbussen beim Wirkungsgrad eine effiziente Entfernung des Kohlendioxids ermöglichen.It is an object of the invention to provide a method for generating energy based on a gas turbine cycle and a power plant for performing the method, which allow efficient removal of carbon dioxide without significant losses in efficiency.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 25 ge¬ löst. Der Kern der Erfindung besteht darin, eine CO2-Abtrennung mit Teilrückfüh¬ rung des Rauchgases vorzusehen und gleichzeitig Massnahmen zum Ausgleich der mit der CO2-Abtrennung verbundenen Wirkungsgradverluste im Gasturbinen- Kreisprozess zu treffen.The object is achieved by the entirety of the features of claims 1 and 25 ge. The essence of the invention is to provide a CO 2 separation with Teilrückfüh¬ tion of the flue gas and at the same time to take measures to compensate for the associated with the CO 2 separation efficiency losses in the gas turbine cycle.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Kohlendioxid (CO2) aus dem zirkulierenden Gas nur teilweise abgetrennt wird. Durch die teilweise Abtrennung des CO2 aus dem rückgeführten und komprimier- ten Rauchgas lassen sich höhere CO2-Konzentrationen und damit eine verbesser¬ te Effektivität bei der Abtrennung erreichen.A preferred embodiment of the invention is characterized in that the carbon dioxide (CO2) is only partially separated from the circulating gas. Due to the partial separation of the CO2 from the recirculated and compressed flue gas, it is possible to achieve higher CO 2 concentrations and thus an improved separation efficiency.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Er¬ zeugung des dem Verdichter der Gasturbine zugeführten, Sauerstoff enthaltenden Gases Luft mit Sauerstoff angereichert wird. Die Sauerstoffanreicherung verbes¬ sert die CO2-Abtrennung. Sie würde die Brenntemperatur erhöhen, wenn nicht gleichzeitig mehr Rauchgas zurückgeführt oder Wasser bzw. Dampf zugesetzt würde.Another preferred embodiment is characterized in that air is enriched with oxygen to generate the gas containing the gas turbine supplied to the compressor. The oxygen enrichment improves the CO 2 separation. It would increase the firing temperature, if not at the same time more flue gas recirculated or water or steam would be added.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das entspannte Rauchgas vor dem Abzweigen des Teilstromes in einem Ab¬ hitzedampferzeuger zur Erzeugung von Dampf eingesetzt wird.A further preferred embodiment of the invention is characterized in that the expanded flue gas is used before the branching of the partial flow in a Ab¬ heat steam generator for generating steam.
In einer ersten alternativen Weiterbildung der Erfindung wird das Sauerstoff ent¬ haltende Gas in dem Verdichter in wenigstens zwei hintereinander geschalteten Verdichterstufen verdichtet, das Sauerstoff enthaltende Gas wird zwischen den beiden Verdichterstufen zwischengekühlt, das zurückgeführte Rauchgas wird dem Sauerstoff enthaltenden Gas vor der ersten Verdichterstufe zugegeben, und das Kohlendioxid (CO2) wird aus dem zwischengekühlten, Sauerstoff enthaltenden Gas vor Eintritt in die zweite Verdichterstufe abgetrennt. Die CO2-Abtrennung nach der Zwischenkühlung in einem mehrstufigen Verdichter integriert die partielle CO2- Abtrennung in einen Gasturbinen-Kreisprozess mit grossem Wirkungsgrad. Es können aus dem Luftfahrtbereich abgeleitete Komponenten eingesetzt werden, die Druckverhältnisse von über 30 bar, typischerweise 45 bar, aufweisen. Die nach der Zwischenkühlung erreichten Temperaturen (150C bis 1000C, am besten zwi- sehen 5O0C und 6O0C) eignen sich gut für Standard-CO2-Abtrennverfahren, wie z.B. CO2-Membraneinheiten.In a first alternative development of the invention, the oxygen-containing gas is compressed in the compressor in at least two compressor stages connected in series, the oxygen-containing gas is intermediately cooled between the two compressor stages, the recirculated flue gas is added to the oxygen-containing gas before the first compressor stage, and the carbon dioxide (CO 2 ) is separated from the intercooled, oxygen-containing gas prior to entering the second compressor stage. The CO2 separation after intermediate cooling in a multi-stage compressor integrates the partial separation of CO2 into a gas turbine cycle with high efficiency. It can be used derived from the aerospace components that have pressure ratios of about 30 bar, typically 45 bar. The temperatures reached after the intermediate cooling (15 0 C to 100 0 C, best between see 5O 0 C and 6O 0 C) are well suited for standard CO 2 separation, such as CO 2 membrane units.
Insbesondere wird zum Abtrennen des Kohlendioxids (CO2) das Sauerstoff ent¬ haltende Gas durch einen CO2-Separator geschickt, und die Menge des durch den CO2-Separator strömenden Gases wird mittels eines einstellbaren Ventils einge¬ stellt, welches in einem Bypass zum CO2-Separator angeordnet ist. Bevorzugt wird das auch der Regelung dienende Ventil während der Anfahrphase, während des Teillastbetriebs oder während einer Notabschaltung vollständig geöffnet, um den CO2-Separator kurzzuschliessen.In particular, the oxygen-containing gas is passed through a CO 2 separator for separating the carbon dioxide (CO 2 ), and the amount of gas flowing through the CO 2 separator is adjusted by means of an adjustable valve, which is bypassed to CO 2 -Separator is arranged. Preferably, the valve also serving the control is fully opened during the start-up phase, during the partial load operation or during an emergency shutdown to short-circuit the CO 2 separator.
Eine weitere Verbesserung ergibt sich, wenn der abgezweigte Teilstrom des Rauchgases vor der Rückführung in einem Kühler abgekühlt wird, wobei dem Teilstrom optional Wasser entzogen wird. Hierdurch ergibt sich eine geringere Kompressionsarbeit in der ersten Verdichterstufe, sowie ein erhöhter Wasser¬ entzug. Zusätzlich kann der Kühler verwendet werden, um die Temperatur am Ein¬ tritt in den Verdichter zu regeln.A further improvement results when the branched partial flow of the flue gas is cooled before the return in a cooler, wherein the Partial flow optional water is extracted. This results in a lower compression work in the first compressor stage, as well as an increased Wasser¬ withdrawal. In addition, the cooler can be used to control the temperature at Ein¬ enters the compressor.
Eine flexible Betriebsweise ergibt sich dadurch, dass der abgezweigte Teilstrom unterbrochen wird, wenn der Gasturbinen-Kreisprozess in einem Standardmodus ohne Abtrennung von Kohlendioxid (CO2) gefahren werden soll.A flexible mode of operation results from the fact that the diverted partial flow is interrupted when the gas turbine cycle is to be run in a standard mode without separation of carbon dioxide (CO2).
Besonders günstig ist es, wenn das Kohlendioxid (CO2) im Cθ2-Separator mittels Membranen in einem nassen Verfahren abgetrennt wird. Hierbei sind die Mem¬ branen mit Wasser gesättigt. Als Folge davon wird der gekühlte Gasstrom mit Wasser gesättigt. Dadurch wird es möglich, den CO2-Separator in Anlagenkonzep¬ te mit Sprühkühlung oder mit dem sogenannten „inlet fogging" bei mittleren Drücken vor der Hochdruck-Verdichterstufe zu integrieren (zum „inlet fogging" siehe z.B. den Artikel von CB. Meher-Homji und T.R. Mee IM, Gas Turbine Power Augmentation by Fogging of Inlet Air, Proc. of 28th Turbomachinery Symposium, 1999, Seiten 93-113).It is particularly favorable if the carbon dioxide (CO.sub.2) in the CO.sub.2 separator is separated off by means of membranes in a wet process. In this case, the membranes are saturated with water. As a result, the cooled gas stream is saturated with water. This makes it possible to integrate the CO 2 separator in system concepts with spray cooling or with the so-called "inlet fogging" at medium pressures upstream of the high-pressure compressor stage (for "inlet fogging" see, for example, the article by CB Meher-Homji and TR Mee IM, Gas Turbine Power Augmentation by Fogging of Inlet Air, Proc. of 28th Turbomachinery Symposium, 1999, pp. 93-113).
Entsprechend ist es denkbar, dass zur Zwischenkühlung Wasser in den Strom des Sauerstoff enthaltenden Gases eingesprüht wird, oder dass nach Art des „inlet fogging" am Eingang der zweiten Verdichterstufe Wasser in den Strom des Sauer¬ stoff enthaltenden Gases eingesprüht wird.Accordingly, it is conceivable that water is sprayed into the stream of the oxygen-containing gas for intermediate cooling, or that water is sprayed into the stream of the oxygen-containing gas in the manner of the inlet fogging at the inlet of the second compressor stage.
Eine zweite alternative Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der abgezweigte Teilstrom der Rauchgase vor der Rückführung in die Gas¬ turbine in einem separaten Verdichter komprimiert wird, wobei insbesondere das Kohlendioxid (CO2) aus dem komprimierten Teilstrom des Rauchgases abgetrennt und der komprimierte Teilstrom anschliessend dem Sauerstoff enthaltenden Gas vor der Brennkammer zugegeben wird, und zum Abtrennen des Kohlendioxids (CO2) der komprimierte Teilstrom durch einen Cθ2-Separator geschickt wird, und die Menge des durch den Cθ2-Separator strömenden Gases mittels eines ein- stellbaren Ventils eingestellt wird, welches in einem Bypass zum CO2-Separator angeordnet ist. Weiterhin wird der komprimierte Teilstrom vor dem Eintritt in den Cθ2-Separator in einem Kühler abgekühlt.A second alternative development of the invention is characterized in that the diverted substream of the flue gases is compressed in a separate compressor prior to the return to the gas turbine, wherein in particular the carbon dioxide (CO2) is separated from the compressed substream of the flue gas and the compressed substream is subsequently separated the oxygen-containing gas is added in front of the combustion chamber, and for separating the carbon dioxide (CO2), the compressed partial flow is passed through a CO 2 separator, and the amount of gas flowing through the CO 2 separator by means of a adjustable valve is set, which is arranged in a bypass to the CO 2 separator. Furthermore, the compressed partial stream is cooled before entering the CO 2 separator in a condenser.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der abgezweigte Teilstrom des Rauchgases vor der Rückführung in einem Kühler abgekühlt und dem Teilstrom dabei optional Wasser entzogen wird, und wenn das in der Turbine der Gasturbine entspannte Rauchgas zwischenerhitzt und in einer weiteren Turbine erneut entspannt wird, und die wei¬ tere Turbine zum Antrieb des separaten Verdichters verwendet wird. Die Verwen- düng eines separaten Verdichters für das zurückgeführte Rauchgas ermöglicht eine höhere Cθ2-Konzentration bei der Cθ2-Abtrennung. Die Abtrennung erfolgt beim vollen Verdichterdruck (am besten bei etwa 30 bar) mit einer einzigen Ver¬ dichterstufe. Die Zwischenerhitzung ergibt eine höhere Energiedichte im Kreispro- zess und reduziert die NOx-Emissionen des Prozesses. Die Zwischenerhitzung (mittels einer zweiten Brennkammer) ermöglicht weiterhin eine stabilere Verbren¬ nung in der ersten Brennkammer wegen des grosseren Sauerstoffüberschuss¬ verhältnisses bei einer vorgegebenen Gesamtrückführungsrate. Hieraus ergibt sich auch eine grossere Flexibilität bei der Prozessführung wie z.B. bei der Verän¬ derung der Wärmefreisetzung in der ersten und zweiten Brennkammer.Also, it is advantageous if the diverted partial flow of the flue gas is cooled before returning in a cooler and the partial flow while water is optionally withdrawn, and if the relaxed in the turbine of the gas turbine flue gas is reheated and relaxed again in another turbine, and the white ¬ tere turbine is used to drive the separate compressor. The use of a separate compressor for the recirculated flue gas allows a higher CO 2 concentration in the CO 2 separation. The separation takes place at the full compressor pressure (best at about 30 bar) with a single Ver¬ dichterstufe. The intermediate heating results in a higher energy density in the cyclic process and reduces the NOx emissions of the process. The intermediate heating (by means of a second combustion chamber) further enables a more stable combustion in the first combustion chamber because of the greater oxygen excess ratio at a predetermined total return rate. This also results in a greater flexibility in the process management, such as in the Verän¬ tion of heat release in the first and second combustion chamber.
Eine dritte alternative Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid (CO2) aus dem in der Turbine der Gasturbine entspannten Rauchgas abgetrennt wird, und dass nach dem Abtrennen des Kohlendioxids (CO2) ein Teilstrom abgezweigt und zum Eingang des Verdichters der Gasturbine zurückgeführt wird, wobei insbesondere das in der Turbine der Gasturbine ent¬ spannte Rauchgas vor dem Abtrennen des Kohlendioxids (CO2) in einem Kühler abgekühlt und dem Rauchgas dabei Wasser entzogen wird, und das Rauchgas in der Turbine der Gasturbine auf wenige bar entspannt und das Rauchgas nach dem Abtrennen des Kohlendioxids (CO2) in einer Abgasturbine weiter entspannt wird. Das CO2 wird hier bei einem niedrigen Druck abgetrennt, jedoch wird durch den Entzug von Wasser gleichwohl ein hoher CO2-Partialdruck erreicht. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Energieerzeugungsanlage nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass vor dem Eingang des Verdichters der Gasturbine eine vorzugsweise Lufttrennmembranen aufweisende Sauerstoffanreicherungs¬ vorrichtung zur Anreicherung der von dem Verdichter angesaugten Luft mit Sauer- stoff angeordnet ist, und dass in der Abgasleitung ein Abhitzedampferzeuger an¬ geordnet ist.A third alternative development of the invention is characterized in that the carbon dioxide (CO 2 ) is separated from the flue gas expanded in the turbine of the gas turbine, and that after the separation of the carbon dioxide (CO 2 ) a partial flow branches off and to the inlet of the compressor of the gas turbine is returned, in particular the ent¬ in the turbine of the gas turbine ent¬ stretched flue gas before separating the carbon dioxide (CO 2 ) cooled in a condenser and the flue gas while water is removed, and the flue gas in the turbine of the gas turbine to a few bar relaxed and the Flue gas after the separation of carbon dioxide (CO 2 ) is further relaxed in an exhaust gas turbine. The CO 2 is separated here at a low pressure, but nevertheless a high CO 2 partial pressure is achieved by the withdrawal of water. A preferred embodiment of the power generation plant according to the invention is characterized in that before the entrance of the compressor of the gas turbine an oxygen enrichment device preferably having air separation membranes is arranged to enrich the air sucked in by the compressor with oxygen, and that in the exhaust gas line a heat recovery steam generator An¬ is ordered.
Ein besonders hoher Wirkungsgrad der Anlage lässt sich erreichen, wenn der Ver¬ dichter der Gasturbine zwei Verdichterstufen umfasst, wenn der CO2-Separator zwischen den beiden Verdichterstufen angeordnet ist, wenn zwischen dem Aus¬ gang der ersten Verdichterstufe und dem Eingang des Cθ2-Separators ein Zwi¬ schenkühler vorgesehen ist, und wenn die Rückführungsleitung auf den Eingang der ersten Verdichterstufe zurückgeführt ist. Bevorzugt ist der CO2-Separator mit einem Bypass überbrückt, in welchem ein einstellbares Ventil angeordnet ist.A particularly high efficiency of the system can be achieved if the compressor of the gas turbine comprises two compressor stages, if the CO 2 separator is arranged between the two compressor stages, if between the output of the first compressor stage and the input of the CO 2 separator an intermediate cooler is provided, and when the return line is returned to the input of the first compressor stage. Preferably, the CO 2 separator is bridged with a bypass, in which an adjustable valve is arranged.
Eine Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführungsleitung auf den Eingang der Brennkammer zurückgeführt ist, dass in der Rückführungsleitung hintereinander ein separater Verdichter und der CO2- Separator angeordnet sind, dass zwischen dem separaten Verdichter und dem Cθ2-Separator ein Kühler vorgesehen ist, und dass der Cθ2-Separator mit einem Bypass überbrückt ist, in welchem ein einstellbares Ventil angeordnet ist.A development of this embodiment is characterized in that the return line is returned to the input of the combustion chamber, that in the return line behind a separate compressor and the CO 2 - are arranged separator that provided between the separate compressor and the Cθ 2 -Separator a cooler is, and that the Cθ 2 separator is bridged with a bypass, in which an adjustable valve is arranged.
Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further embodiments will be apparent from the dependent claims.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGURENBRIEF EXPLANATION OF THE FIGURES
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammen¬ hang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigenThe invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments in conjunction with the accompanying drawings. Show it
Fig. 1 ein vereinfachtes Anlagenschema einer Energieerzeugungsanlage gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit ei- nem zweistufigen Verdichter mit Zwischenkühlung in der Gastur¬ bine;1 is a simplified system diagram of a power generation plant according to a first embodiment of the invention with a a two-stage compressor with intermediate cooling in the gas turbine;
Fig. 2 ein vereinfachtes Anlagenschema einer Energieerzeugungsanlage gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit ei¬ ner zweiten Gasturbine zur Verdichtung des rückgeführten Rauch¬ gases; und2 shows a simplified system diagram of a power generation plant according to a second exemplary embodiment of the invention with a second gas turbine for compressing the recirculated flue gas; and
Fig. 3 ein vereinfachtes Anlagenschema einer Energieerzeugungsanlage gemäss einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Rückführung des Rauchgases nach der Abtrennung des CO2 erfolgt.3 shows a simplified system diagram of a power generation plant according to a third exemplary embodiment of the invention, in which the recirculation of the flue gas takes place after the separation of the CO 2.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In Fig. 1 ist ein vereinfachtes Anlagenschema einer Energieerzeugungsanlage 10 gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Die Energieerzeugungsanlage 10 umfasst eine Gasturbine 12 mit zwei hintereinander- geschalteten Verdichterstufen 13 und 14, einer Brennkammer 15 und einer Turbi¬ ne 16, welche einen Generator 28 antreibt. Verdichterstufen 13, 14 und Turbine 16 sitzen in der üblichen Weise auf einer gemeinsamen Welle. Natürlich können die Verdichterstufen und die Turbine auch auf mehreren Wellen angeordnet sein, wo¬ bei die Turbine zusätzlich ebenfalls in zwei oder mehr Stufen unterteilt sein kann. Die erste Verdichterstufe 13 saugt Luft 23 an, die vor der Kompression durch Ent¬ zug von Stickstoff N2 in einer Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 11 mit Sauer¬ stoff angereichert wird. Der optional mit Sauerstoff angereicherten Luft wird vom Ausgang der Anlage rückgeführtes Rauchgas zugemischt. Das resultierende, mit Sauerstoff angereicherte Gas wird in der ersten Verdichterstufe 13 vorverdichtet, anschliessend in einem Zwischenkühler 18 zwischengekühlt und dann der zweiten Verdichterstufe 14 zur Nachverdichtung zugeführt. Bevor das zwischengekühlte Gas in die zweite Verdichterstufe 14 eintritt, wird ihm in einem Cθ2-Separator 19 Kohlendioxid (CO2) entzogen. Ein am CO2-Separator 19 vorbeigeführter, mit ei¬ nem ersten einstellbaren Ventil 21 versehener Bypass 33 ermöglicht eine Einstel¬ lung des Durchsatzes durch den CO2-Separator 19 und damit der Menge des ins¬ gesamt abgetrennten CO2. Ein vor dem CO2-Separator 19 angeordnetes zweites Ventil 21' dient sowohl dem Absperren bei einem Kurzschliessen über den Bypass 33, als auch der Regelung.FIG. 1 shows a simplified system diagram of a power generation plant 10 according to a first exemplary embodiment of the invention. The power generation plant 10 comprises a gas turbine 12 with two compressor stages 13 and 14 connected in series, a combustion chamber 15 and a turbine 16, which drives a generator 28. Compressor stages 13, 14 and turbine 16 sit in the usual way on a common shaft. Of course, the compressor stages and the turbine can also be arranged on several shafts, whereby the turbine can additionally also be subdivided into two or more stages. The first compressor stage 13 sucks air 23, which is enriched with oxygen before compression by removal of nitrogen N 2 in an oxygen enrichment device 11. The optional oxygen-enriched air is added to the output of the system recirculated flue gas. The resulting, oxygen-enriched gas is precompressed in the first compressor stage 13, then cooled in an intermediate cooler 18 and then fed to the second compressor stage 14 for densification. Before the intercooled gas enters the second compressor stage 14, it is in a CO 2 separator 19 Deprived of carbon dioxide (CO 2 ). A bypass 33 provided past the CO 2 separator 19 and provided with a first adjustable valve 21 makes it possible to adjust the throughput through the CO 2 separator 19 and thus the amount of CO 2 removed in total. A arranged in front of the CO 2 separator 19 second valve 21 'serves both shut off in a short-circuit on the bypass 33, as well as the scheme.
Das in der Verdichterstufe 14 nachverdichtete Gas wird zur Verbrennung eines Brennstoffs in die Brennkammer 15 geleitet. Das bei der Verbrennung entstehen- de heisse Rauchgas wird in der Turbine 16 unter Arbeitsleistung entspannt und durchläuft anschliessend einen Abhitzedampferzeuger (Heat Recovery Steam Generator HRSG) 17, wo es Dampf für eine Dampfturbine oder andere Zwecke erzeugt. Nach dem Verlassen des Abhitzedampferzeugers 17 wird das Rauchgas über eine Abgasleitung 24 abgeführt. Von der Abgasleitung 24 abzweigend wird ein Teil des Rauchgases über eine Rückführungsleitung 34 auf den Eingang der ersten Verdichterstufe 13 zurückgeführt und - wie oben bereits beschrieben - der (optional) mit Sauerstoff angereicherten Luft zugemischt. In der Rückführungs¬ leitung 34 sind ein Ventil 22 und ein Kühler 20 angeordnet. Mit Hilfe des Ventils 22 kann die Rückführungsrate eingestellt oder die Rückführung ganz unterbrochen werden. Der Kühler 20 verringert durch die Abkühlung des Rauchgases die Kom¬ pressionsarbeit. Er kann darüber hinaus dem rückgeführten Rauchgas Wasser entziehen.The gas recompressed in the compressor stage 14 is conducted into the combustion chamber 15 for combustion of a fuel. The hot flue gas produced during the combustion process is expanded in the turbine 16 under operating power and then passes through a heat recovery steam generator (HRSG) 17, where it generates steam for a steam turbine or other purposes. After leaving the heat recovery steam generator 17, the flue gas is removed via an exhaust pipe 24. Branching off from the exhaust pipe 24, a portion of the flue gas is returned via a return line 34 to the input of the first compressor stage 13 and - as already described above - the (optionally) mixed with oxygen-enriched air. In the return line 34, a valve 22 and a radiator 20 are arranged. With the aid of the valve 22, the return rate can be set or the feedback can be completely interrupted. The cooler 20 reduces the Kom¬ pressionsarbeit by the cooling of the flue gas. He can also extract water from the recirculated flue gas.
Kern des in der Fig. 1 dargestellten Gasturbinen-Kreisprozesses ist die Kombina- tion einer Rauchgasrückführung mit partieller Abtrennung von CO2 und eines hoch-effizienten Turbinen-Kreisprozesses mit mehrstufiger Verdichtung und Zwi¬ schenkühlung. Die für eine stöchiometrische Verbrennung (mit λ=1 ) benötigte Luftmenge bestimmt das maximale Rückführungsverhältnis für das Rauchgas. Ein höheres Rückführungsverhältnis ist vorteilhaft, weil es die CO2-Konzentration in dem durch den Zwischenkühler 18 und den CO2-Separator 19 maximiert. Die An¬ reicherung der Ansaugluft mit Sauerstoff, die innerhalb der Sauerstoffanreiche¬ rungsvorrichtung 11 beispielsweise durch den Einsatz von bei niedrigen Tempera- turen arbeitenden Lufttrennmembranen erreicht werden kann, ermöglicht bei vor¬ gegebener Brenntemperatur der Gasturbine12 eine stärkere Rückführung des Rauchgases.The core of the gas turbine cycle process shown in FIG. 1 is the combination of a flue gas recirculation with partial separation of CO 2 and a highly efficient turbine cycle process with multi-stage compression and intermediate cooling. The amount of air required for stoichiometric combustion (where λ = 1) determines the maximum recirculation ratio for the flue gas. A higher recirculation ratio is advantageous because it maximizes the CO 2 concentration in the by the intercooler 18 and the CO 2 separator 19th The enrichment of the intake air with oxygen, which within the oxygen enrichment device 11, for example, by the use of at low temperature Turen working air separation membranes can be achieved at vor¬ given firing temperature of the gas turbine 12 a stronger return of the flue gas.
Die in Fig. 1 dargestellte Anlage hat folgende Eigenschaften und Vorteile:The plant shown in FIG. 1 has the following properties and advantages:
- Durch die partielle Abtrennung des CO2 aus dem rückgeführten und vorver¬ dichteten Rauchgas können mit dem Cθ2-Separator 19 höhere CO2- Konzentrationen und damit bessere Wirkungsgrade bei der CO2- Abtrennung erreicht werden. - Mit dem Ventil 21 ist es möglich, den Anteil des durch den Cθ2-SeparatorDue to the partial separation of the CO2 from the recirculated and precompressed flue gas, the CO 2 separator 19 can be used to achieve higher CO 2 concentrations and thus better efficiencies in the CO 2 separation. - With the valve 21, it is possible, the proportion of the by the Cθ 2 -Separator
19 gehenden Gases optimal einzustellen. Während der Anfahrphase, im Teillastbetrieb oder bei einer Schnellabschaltung kann das Ventil 21 voll geöffnet werden, um den CO2-Separator 19 kurzzuschliessen.19 gas to optimally adjust. During the start-up phase, during partial load operation or during an emergency shutdown, the valve 21 can be fully opened in order to short-circuit the CO 2 separator 19.
- Das Ventil 22 in der Rückführungsleitung 34 kann während Störungen, im Teillastbetrieb oder in der Anfahrphase dazu benutzt werden, den Prozess im Standardmodus ohne CÜ2-Abtrennung zu fahren.- The valve 22 in the return line 34 can be used during malfunctions, in partial load operation or in the start-up phase to run the process in standard mode without CÜ 2 separation.
- Die Anordnung des CO2-Separators 19 nach dem Zwischenkühler 18 eines mehrstufigen Verdichters 13, 14 integriert die CÜ2-Abtrennung in einen Gasturbinen-Kreisprozess mit hohem Wirkungsgrad. Es können aus der Luftfahrttechnik stammende Komponenten mit Druckverhältnisses oberhalb- The arrangement of the CO 2 separator 19 after the intercooler 18 of a multi-stage compressor 13, 14 integrates the CÜ 2 separation in a gas turbine cycle with high efficiency. It can be derived from aeronautical engineering components with pressure ratio above
30, typischerweise mit 45 bar, eingesetzt werden. Die am Ausgang des Zwischenkühlers 18 erreichten Temperaturen (2O0C bis 1000C, insbesonde¬ re zwischen 5O0C und 6O0C) sind denen des Standard- Cθ2-Abtrenn- prozesses, wie z.B. in einer Cθ2-Membraneinheit, angepasst. - Bestimmte Cθ2-Membraneinheiten werden üblicherweise in einem nassen30, typically with 45 bar, are used. The temperatures reached at the outlet of the intercooler (2O 0 C to 100 0 C, insbesonde¬ between 5O 0 C and 6O 0 C) are those of the standard CO 2 separation process, such as in a CO 2 membrane unit adapted. Certain CO 2 membrane units are usually wet
Modus (gesättigt mit Wasser) betrieben. Folglich sättigen die Membranen den gekühlten Gasstrom mit Wasser. Der Cθ2-Separator 19 kann somit in Konzepte mit Sprüh-Zwischenkühlung oder mit „inlet fogging" bei mittleren Drücken vor der Nachverdichterstufe integriert werden. - Die optionale Anreicherung mit Sauerstoff ermöglicht eine verstärkte Rück¬ führung des Rauchgases (Anmerkung: Das angereicherte O2 erhöht die Brenntemperatur, wenn nicht gleichzeitig der verdünnende Bestandteil er- höht wird, was entweder durch eine verstärkte Rauchgasrückführung oder durch Zusatz von Wasser oder Dampf geschehen kann). - Der Kühler bzw. Kondenser 20 in der Rückführungsleitung 34 ermöglicht eine verstärkte Rückgewinnung von Wasser zu Lasten einer stärkeren Küh- lung.Mode (saturated with water). Consequently, the membranes saturate the cooled gas stream with water. The CO 2 separator 19 can thus be integrated into concepts with spray intercooling or with inlet fogging at medium pressures upstream of the aftercooler stage - The optional enrichment with oxygen enables an increased return of the flue gas (note: The enriched O 2 increases the firing temperature, if not at the same time the diluting constituent is increased, which can be done either by an increased flue gas recirculation or by the addition of water or steam). - The condenser 20 in the return line 34 allows increased recovery of water at the expense of a stronger cooling.
Das Anlagenschema des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels umfasst in einer Energieerzeugungsanlage 30 zwei Gasturbinen 12 und 12'. Die erste Gasturbine 12 umfasst einen Verdichter 25, eine Brennkammer 15 und eine Turbine 16, die einen ersten Generator 28 antreibt. Auch hier wird in der Gasturbine 12 angesaug¬ te Luft 23 (optional) in einer Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 11 mit Sauerstoff angereichert, im Verdichter 25 verdichtet und zur Verbrennung von Brennstoff in der Brennkammer 15 herangezogen. Die heissen Rauchgase werden zunächst in der Turbine 16 der ersten Gasturbine 12 und anschliessend in der Turbine 16' der zweiten Gasturbine 12' entspannt. Zwischen den beiden Turbinen 16 und 16' kann optional eine zusätzliche Erhitzung in einem Zwischenerhitzer 27 (sequentielle Verbrennung) vorgenommen werden. Das entspannte Rauchgas wird anschlies¬ send durch einen Abhitzedampferzeuger 17 geleitet und in einer Abgasleitung 24 abgeführt. Ein Teil des Rauchgases wird wiederum rückgeführt und direkt vor der Brennkammer 15 der mit Sauerstoff angereicherten und verdichteten Luft zuge¬ mischt. Die notwendige Verdichtung erfolgt in dem Verdichter 25' der zweiten Gas¬ turbine 12', die zugleich einen zweiten Generator 28' antreiben kann. Ähnlich wie in Fig. 1 wird das rückgeführte Rauchgas nach der Verdichtung in einem Kühler 26' abgekühlt und anschliessend in einem Cθ2-Separator 19 partiell vom Kohlen- dioxid befreit. Zur Einstellung der Abtrennrate kann auch hier ein Bypass 33 mit Ventil 21 vorgesehen werden. Zur Regelung und Absperrung des Stromes durch den Cθ2-Separator 19 ist wiederum ein zweites Ventil 21' vor dem Cθ2-Separator 19 einsetzbar. Vor dem Kühler 26' kann zusätzlich ein regenerativer Wärme¬ tauscher 26 angeordnet werden, in dem auf thermodynamisch effiziente Weise das CO2-arme Gas, das den CO2-Separator 19 verlässt, vor der Verbrennung vorgewärmt und so ein grosser Teil der Kühlleistung des Wärmetauschers 26 zu¬ rückgewonnen wird. Das Ventil 22 und der Kühler 20 in der Rückführungsleitung 34 erfüllen dieselben Funktionen wie in Fig. 1. Der Bypass 33 sollte unbedingt den Cθ2-Separator 19 und die beiden Kühler 26 und 26' überbrücken, da sonst vor der Brennkammer 15 gekühlt wird, was thermodynamisch ungünstig ist.The plant scheme of the embodiment shown in Fig. 2 comprises two gas turbines 12 and 12 'in a power plant 30. The first gas turbine 12 includes a compressor 25, a combustion chamber 15, and a turbine 16 that drives a first generator 28. Here too, in the gas turbine 12, sucked-in air 23 (optional) is enriched with oxygen in an oxygen enrichment device 11, compressed in the compressor 25 and used for combustion of fuel in the combustion chamber 15. The hot flue gases are first expanded in the turbine 16 of the first gas turbine 12 and then in the turbine 16 'of the second gas turbine 12'. Between the two turbines 16 and 16 'optionally an additional heating in a reheater 27 (sequential combustion) can be made. The expanded flue gas is subsequently passed through a heat recovery steam generator 17 and discharged in an exhaust gas line 24. A portion of the flue gas is in turn recycled and admixed directly in front of the combustion chamber 15 of the oxygen-enriched and compressed air. The necessary compression takes place in the compressor 25 'of the second gas turbine 12', which at the same time can drive a second generator 28 '. Similar to FIG. 1, the recirculated flue gas is cooled after compression in a cooler 26 'and then partially freed of carbon dioxide in a CO 2 separator 19. To set the separation rate, a bypass 33 with valve 21 can also be provided here. For controlling and shutting off the flow through the CO 2 separator 19, a second valve 21 'can again be used in front of the CO 2 separator 19. In addition, a regenerative heat exchanger 26 can be arranged in front of the cooler 26 'in which the low-CO 2 gas leaving the CO 2 separator 19 is preheated prior to combustion in a thermodynamically efficient manner and thus a large part of the cooling capacity of the Heat exchanger 26 zu¬ is recovered. The valve 22 and the radiator 20 in the return line 34 perform the same functions as in Fig. 1. The bypass 33 should necessarily bridge the Cθ 2 separator 19 and the two coolers 26 and 26 ', since otherwise cooled in front of the combustion chamber 15, which is thermodynamically unfavorable.
Der separate Verdichter 25' ermöglicht eine höhere CO2-Konzentration und damit eine Steigerung in der Effektivität der Cθ2-Abtrennung. Gleichzeitig erhöht sich der Wirkungsgrad des Prozesses durch die Zwischenerhitzung. Die in Fig. 2 dar¬ gestellte Anlage hat entsprechend folgende Eigenschaften und Vorteile:The separate compressor 25 'allows a higher CO 2 concentration and thus an increase in the effectiveness of the CO 2 separation. At the same time, the efficiency of the process increases due to the intermediate heating. The plant shown in FIG. 2 accordingly has the following properties and advantages:
- Die CO2-Abtrennung erfolgt aufgrund des separaten Verdichters bei vollem Verdichterdruck (optimalerweise bei etwa 30 bar) mit einer einzigen Ver¬ dichterstufe.- The CO 2 separation takes place due to the separate compressor at full compressor pressure (optimally at about 30 bar) with a single Ver¬ dichterstufe.
- Der Einsatz der Zwischenerhitzung gibt eine grossere Energiedichte im Prozess.- The use of intermediate heating gives a greater energy density in the process.
- Der Einsatz der Zwischenerhitzung reduziert die NOx-Emission im Prozess. - Der Einsatz der Zwischenerhitzung ermöglicht wegen des grosseren Sauer- stoffüberschuss-Verhältnisses bei vorgegebener gesamthafter Rückfüh¬ rungsrate eine stabilere Verbrennung im ersten Brenner (Brennkammer 15). Dadurch ergibt sich eine grossere Flexibilität bei der Steuerung des Prozesses, d.h., ein grosserer Variationsbereich bei der Wärmefreisetzung im ersten und zweiten Brenner (Zwischenerhitzer 27).- The use of interheater reduces the NOx emission in the process. The use of intermediate heating makes possible a more stable combustion in the first burner (combustion chamber 15) owing to the greater oxygen excess ratio at a given total recirculation rate. This results in a greater flexibility in the control of the process, that is, a larger range of variation in the heat release in the first and second burner (reheater 27).
Die Verdichter und Turbinen können im übrigen auch in einer von Fig. 2 abwei¬ chenden Art und Weise miteinander verbunden werden, um den Einsatz einer frei (auf einer separaten Welle) laufenden Leistungsturbine zu ermöglichen. Weiterhin ist es auch denkbar, eine mehrstufige Verdichtung mit Zwischenkühlung des rück¬ geführten Rauchgases vorzusehen. In diesem Fall würde die CO2-Abtrennung bei einem niedrigeren Druck stattfinden, jedoch Hesse sich insgesamt ein höherer Sy¬ stemdruck erreichen. Der Bypass würde dann nur die Cθ2-Absorbereinheit umfas¬ sen, nicht jedoch die Kühler, die ausserdem nicht regenerativ ausgeführt wären.Incidentally, the compressors and turbines can also be connected to one another in a manner deviating from FIG. 2 in order to enable the use of a power turbine which is free (on a separate shaft). Furthermore, it is also conceivable to provide a multi-stage compression with intermediate cooling of the recirculated flue gas. In this case, the CO 2 separation would take place at a lower pressure, but overall a higher system pressure could be achieved. The bypass would then only include the CO 2 absorber unit, but not the coolers, which would also be non-regenerative.
Das Anlagenschema des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiels offenbart eine Energieerzeugungsanlage 32 mit einer Gasturbine 12 mit Verdichter 25', Brenn- kammer 15 und Turbine 16 und nachgeschaltetem Abhitzedampferzeuger 17. Nach Durchlaufen des Abhitzedampferzeugers 17 wird das Rauchgas in einem Kühler 20 entwässert und anschliessend partiell im Cθ2-Separator 19 vom Koh¬ lendioxid befreit. Erst nach der CÜ2-Abtrennung wird ein Teil des Rauchgases über die Rückführungsleitung 34 auf den Eingang des Verdichters 25' zurück¬ geführt und mit der angesaugten und mit Sauerstoff angereicherten Luft 23 ver¬ mischt. Der Rest des Rauchgases kann in einer optionalen, nachgeschalteten Ab- gasturbine 29 weiter entspannt werden. Zusätzlich kann die am Eingang anste¬ hende und in der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 11 mit Sauerstoff angerei- cherte Luft 23 in einem Verdichter 25 vorverdichtet und in einem Zwischenkühler 35 optional zwischengekühlt werden. So könnte beispielsweise ein Druckverhält¬ nis von 10 in der Vorverdichtung (Verdichter 25) des Sauerstoff enthaltenden Ga¬ ses und ein Druckverhältnis von 10-20 in der Hauptverdichtung (25') gewählt wer¬ den. Wenn dann sehr stark angereicherte Luft verwendet wird, kann so ein effi- zienter Prozess erreicht werden.The plant scheme of the embodiment shown in FIG. 3 discloses a power plant 32 having a gas turbine 12 with compressor 25 ', fuel Chamber 15 and turbine 16 and downstream heat recovery steam generator 17. After passing through the heat recovery steam generator 17, the flue gas is dewatered in a condenser 20 and then partially freed from the carbon dioxide in the CO 2 separator 19. Only after the CU2 separation is a part of the flue gas via the return line 34 to the input of the compressor 25 'zurück¬ out and mixed with the sucked and oxygen-enriched air 23 ver¬. The remainder of the flue gas can be further expanded in an optional, downstream exhaust gas turbine 29. In addition, the air 23 arriving at the inlet and enriched with oxygen in the oxygen enrichment device 11 can be precompressed in a compressor 25 and optionally intermediately cooled in an intermediate cooler 35. Thus, for example, a pressure ratio of 10 in the pre-compression (compressor 25) of the oxygen-containing gas and a pressure ratio of 10-20 in the main compression (25 ') could be selected. If very enriched air is used then an efficient process can be achieved.
In dieser Version wird das Kohlendioxid vor der Rückführung abgetrennt. Obgleich das CO2 bei einem niedrigeren Druck abgetrennt wird, ergibt sich durch die Ent¬ wässerung ein hoher Cθ2-Partialdruck. Die in Fig. 3 dargestellte Anlage hat ent- sprechend folgende Eigenschaften und Vorteile:In this version, the carbon dioxide is separated before recycling. Although the CO 2 is separated off at a lower pressure, a high CO 2 partial pressure results due to the dewatering. The plant shown in FIG. 3 has the following properties and advantages accordingly:
- Anders als bei Fig. 1 und 2 wird das Rauchgas insgesamt einer CO2- Abtrennung unterzogen. Ein Teil des Rauchgases wird dann zurückgeführt. Diese Vorgehensweise kann aber auch bei Konzepten mit Zwischenküh¬ lung (ähnlich wie Fig. 1 ) und Zwischenerhitzung (ähnlich wie Fig. 2) einge- setzt werden.- Unlike in Fig. 1 and 2, the flue gas is subjected to a total of CO2 separation. Part of the flue gas is then returned. However, this procedure can also be used for concepts with intermediate cooling (similar to FIG. 1) and intermediate heating (similar to FIG. 2).
- Es kann Wasser eingespritzt werden (in Fig. 3 nicht dargestellt), um die NOx-Emissionen der Verbrennung zu reduzieren und den für eine vorgege¬ bene CO2-Abgaskonzentration erforderlichen Grad an Rauchgasrückfüh¬ rung zu reduzieren.Water can be injected (not shown in FIG. 3) in order to reduce the combustion NOx emissions and to reduce the degree of flue gas recirculation required for a preselected CO 2 exhaust gas concentration.
Andere Möglichkeiten ergeben sich, wenn ein Kreisprozess mit einem hohen Mass an Wassereinspritzung (Sprüh-Zwischenkühlung, Wasser- oder Dampfeinsprit- zung in die Brennkammer) mit dem Schema der partiellen Rauchgasrückführung kombiniert wird:Other possibilities arise when a cycle with a high degree of water injection (spray intercooling, water or steam injection into the combustion chamber) is combined with the scheme of partial flue gas recirculation:
- Wenn der hohe Anteil an Wasser in Rauchgas entfernt wird, erhöht sich die Cθ2-Konzentration. Dadurch verbessert sich die Effizienz der Cθ2-Abtren- nung, und zwar sowohl bei der „tail-end"-Konfiguration gemäss Fig. 3, d.h. bei einer Lösung mit nachgeschalteter CÜ2-Abtrennung am Prozessende, als auch bei der Abtrennung im Mitteldruckbereich gemäss Fig. 1 und 2.- When the high proportion of water in flue gas is removed, the CO 2 concentration increases. This improves the efficiency of the CO 2 separation, both in the "tail-end" configuration according to FIG. 3, ie in a solution with downstream CU 2 separation at the end of the process, and in the separation in the medium-pressure range according to FIGS. 1 and 2.
- Die Zugabe von Wasser ermöglicht dieselbe Brenntemperatur mit weniger Rauchgasrückführung. Dies kann in Fällen, in denen die Wasserversorgung unkritisch ist, Auswirkungen auf den Wirkungsgrad haben.- The addition of water allows the same firing temperature with less flue gas recirculation. This can have an impact on the efficiency in cases where the water supply is not critical.
- Die Wassereinspritzung kann auch bei Prozessen ohne Rauchgasrückfüh¬ rung eingesetzt werden, um nach der Wasserkondensation eine effiziente „tail-end"-CO2-Abtrennung zu erlauben. Im Grenzfall könnte ausreichend Wasser zum Prozess hinzugefügt werden, um eine Verbrennung mit λ nahe 1 bei vernünftigen Temperaturen ohne Rauchgasrückführung zu ermögli¬ chen. The water injection can also be used in processes without flue gas recirculation, in order to allow an efficient tail-end CO 2 separation after the water condensation, in the limiting case sufficient water could be added to the process to achieve combustion with λ close to 1 at reasonable temperatures without flue gas recirculation.
BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE NUMBERS
10, 30, 32 Energieerzeugungsanlage10, 30, 32 power generation plant
11 Sauerstoffanreicherungsvorrichtung11 oxygenating device
12, 12' Gasturbine12, 12 'gas turbine
13, 14 Verdichterstufe13, 14 compressor stage
15 Brennkammer15 combustion chamber
16, 16' Turbine16, 16 'turbine
17 Abhitzedampferzeuger (HRSG)17 heat recovery steam generator (HRSG)
18, 35 Zwischenkühler18, 35 intercooler
19 CO2-Separator19 CO 2 separator
20, 26' Kühler20, 26 'cooler
21 , 21', 22, 31 Ventil21, 21 ', 22, 31 valve
23 Luft23 air
24 Abgasleitung24 exhaust pipe
25, 25' Verdichter25, 25 'compressor
26 regenerativer Wärmetauscher26 regenerative heat exchanger
27 Zwischenerhitzer27 reheater
28, 28' Generator28, 28 'generator
29 Abgasturbine29 exhaust gas turbine
33 Bypass33 bypass
34 Rückführungsleitung 34 return line

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Erzeugung von Energie in einer eine Gasturbine (12) um¬ fassenden Energieerzeugungsanlage (10, 30, 32), bei welchem Verfahren in ei- nem ersten Schritt ein Sauerstoff enthaltendes Gas in einem Verdichter (13, 14; 25, 25') der Gasturbine (12) verdichtet wird, in einem zweiten Schritt das verdich¬ tete Gas unter Zugabe von Brennstoff in einer Brennkammer (15) einer Verbren¬ nung zugeführt wird, in einem dritten Schritt das heisse Rauchgas aus der Brenn¬ kammer (15) in einer Turbine (16) der Gasturbine (12) unter Arbeitsleistung ent- spannt wird, und in einem vierten Schritt ein abgezweigter Teilstrom des ent¬ spannten Rauchgases in einen stromaufwärts der Brennkammer (15) liegenden Teil der Gasturbine (12) zurückgeführt und verdichtet wird, dadurch gekennzeich¬ net, dass aus dem zirkulierenden Gas in einem CO2-Separator (19) Kohlendioxid (CO2) abgetrennt wird, und dass Massnahmen zum Ausgleich der mit der CO2- Abtrennung verbundenen Wirkungsgradverluste im Gasturbinen-Kreisprozess ge¬ troffen werden.1. A method for generating energy in a gas turbine (12) um¬ comprehensive energy generating system (10, 30, 32), wherein in a first step, an oxygen-containing gas in a compressor (13, 14, 25, 25 ') the gas turbine (12) is compressed, in a second step, the compressed gas is supplied to a combustion with the addition of fuel in a combustion chamber (15), in a third step the hot flue gas from the combustion chamber (15 ) in a turbine (16) of the gas turbine (12) is released under working power, and in a fourth step, a branched partial flow of ent¬ stretched flue gas in a upstream of the combustion chamber (15) lying part of the gas turbine (12) returned and compressed is gekennzeich¬ net, characterized in that from the circulating gas in a CO 2 separator (19) carbon dioxide (CO2) is separated, and that measures to compensate for the associated with the CO2 separation efficiency losses in Ga Turbine cycle process ge be met.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlen¬ dioxid (CO2) aus dem zirkulierenden Gas nur teilweise abgetrennt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the carbon dioxide (CO2) is separated from the circulating gas only partially.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des dem Verdichter (13, 14, 25) der Gasturbine (12) zugeführten, Sau¬ erstoff enthaltenden Gases Luft mit Sauerstoff angereichert wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that for generating the compressor (13, 14, 25) of the gas turbine (12) supplied, oxygen-containing gas gas is enriched with oxygen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anreiche¬ rung der Luft mit Sauerstoff in einer Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (11 ) unter Verwendung von bei niedrigen Temperaturen arbeitenden Lufttrennmembranen durchgeführt wird.4. The method according to claim 3, characterized in that the enrichment of the air with oxygen in an oxygenating device (11) is carried out using air separation membranes operating at low temperatures.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das entspannte Rauchgas vor dem Abzweigen des Teilstromes in einem Ab¬ hitzedampferzeuger (17) zur Erzeugung von Dampf eingesetzt wird. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the expanded flue gas before the branching of the partial flow in a Ab¬ heat steam generator (17) is used to generate steam.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sauerstoff enthaltende Gas in dem Verdichter in wenigstens zwei hinter¬ einander geschalteten Verdichterstufen (13, 14) verdichtet wird, und dass das Sauerstoff enthaltende Gas zwischen den beiden Verdichterstufen (13, 14) zwi- schengekühlt wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the oxygen-containing gas in the compressor in at least two hinter¬ connected compressor stages (13, 14) is compressed, and that the oxygen-containing gas between the two compressor stages (13 , 14) is intercooled.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zurück¬ geführte Rauchgas dem Sauerstoff enthaltenden Gas vor der ersten Verdichter¬ stufe (13) zugegeben wird, und dass das Kohlendioxid (CO2) aus dem zwischen- gekühlten, Sauerstoff enthaltenden Gas vor Eintritt in die zweite Verdichterstufe (14) abgetrennt wird.7. The method according to claim 6, characterized in that the zurück¬ guided flue gas to the oxygen-containing gas before the first Verdichter¬ stage (13) is added, and that the carbon dioxide (CO 2 ) from the inter-cooled, oxygen-containing gas before Entry into the second compressor stage (14) is separated.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abtren¬ nen des Kohlendioxids (CO2) das Sauerstoff enthaltende Gas durch einen CO2- Separator (19) geschickt wird, dass die Menge des durch den CO2-Separator (19) strömenden Gases mittels eines ersten, einstellbaren Ventils (21 ) eingestellt wird, welches in einem Bypass (33) zum CO2-Separator (19) angeordnet ist, und dass der durch den CO2-Separator (19) geleitete Stroms mittels eines vor dem CO2- Separator (19) angeordneten zweiten Ventils (21') abgesperrt oder geregelt wird.8. The method according to claim 7, characterized in that for abtren¬ NEN of the carbon dioxide (CO 2 ), the oxygen-containing gas is sent through a CO 2 - separator (19) that the amount of the by the CO 2 -Separator (19) flowing gas is adjusted by means of a first, adjustable valve (21) which is arranged in a bypass (33) to the CO 2 separator (19), and that the current passed through the CO 2 separator (19) by means of a before the CO 2 - separator (19) arranged second valve (21 ') is shut off or regulated.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (21 ) im Bypass (33) während der Anfahrphase, während des Teillastbetriebs oder während einer Notabschaltung vollständig geöffnet wird, um den CO2-Separator (19) kurzzuschliessen.9. The method according to claim 8, characterized in that the valve (21) is fully opened in the bypass (33) during the start-up phase, during the partial load operation or during an emergency shutdown to short-circuit the CO 2 separator (19).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der abgezweigte Teilstrom des Rauchgases vor der Rückführung in einem Kühler (20) abgekühlt wird, wobei dem Teilstrom optional Wasser entzogen wird.10. The method according to any one of claims 7 to 9, characterized in that the diverted partial flow of the flue gas is cooled before the return in a cooler (20), wherein the partial flow is optionally withdrawn water.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeich¬ net, dass der abgezweigte Teilstrom unterbrochen wird, wenn der Gasturbinen- Kreisprozess in einem Standardmodus ohne Abtrennung von Kohlendioxid (CO2) gefahren werden soll.11. The method according to any one of claims 7 to 10, characterized gekennzeich¬ net that the diverted partial flow is interrupted when the gas turbine Circular process in a standard mode without separation of carbon dioxide (CO 2 ) to be driven.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeich- net, dass das Kohlendioxid (CO2) im CO2-Separator (19) mittels Membranen in einem nassen Verfahren abgetrennt wird.12. The method according to any one of claims 7 to 11, characterized marked, that the carbon dioxide (CO 2 ) in the CO 2 separator (19) is separated by means of membranes in a wet process.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeich¬ net, dass zur Zwischenkühlung Wasser in den Strom des Sauerstoff enthaltenden Gases eingesprüht wird.13. The method according to any one of claims 7 to 12, characterized gekennzeich¬ net, that is sprayed for intercooling water in the flow of oxygen-containing gas.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeich¬ net, dass nach Art des „inlet fogging" am Eingang der zweiten Verdichterstufe Wasser in den Strom des Sauerstoff enthaltenden Gases eingesprüht wird.14. The method according to any one of claims 7 to 12, characterized gekennzeich¬ net, that in the manner of the "inlet fogging" at the entrance of the second compressor stage water is sprayed into the flow of oxygen-containing gas.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der abgezweigte Teilstrom der Rauchgase vor der Rückführung in die Gas¬ turbine (12) in einem separaten Verdichter (25') komprimiert wird.15. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the diverted partial flow of the flue gases before returning to the Gas¬ turbine (12) in a separate compressor (25 ') is compressed.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Koh¬ lendioxid (CO2) aus dem komprimierten Teilstrom des Rauchgases abgetrennt und der komprimierte Teilstrom anschliessend dem Sauerstoff enthaltenden Gas vor der Brennkammer (15) zugegeben wird.16. The method according to claim 15, characterized in that the Koh¬ lendioxid (CO 2 ) separated from the compressed partial flow of the flue gas and the compressed partial stream is then added to the oxygen-containing gas in front of the combustion chamber (15).
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zum17. The method according to claim 16, characterized in that the
Abtrennen des Kohlendioxids (CO2) der komprimierte Teilstrom durch einen CO2- Separator (19) geschickt wird, dass die Menge des durch den CO2-Separator (19) strömenden Gases mittels eines ersten, einstellbaren Ventils (21 ) eingestellt wird, welches in einem Bypass (33) zum CO2-Separator (19) angeordnet ist, und dass der durch den CO2-Separator (19) geleitete Stroms mittels eines vor dem CO2-Se- parator (19) angeordneten zweiten Ventils (21') abgesperrt oder geregelt wird. Separating the carbon dioxide (CO 2 ) the compressed partial flow through a CO 2 - separator (19) is sent, that the amount of gas flowing through the CO 2 separator (19) gas is adjusted by means of a first, adjustable valve (21) is arranged in a bypass (33) to the CO 2 separator (19), and that the current passed through the CO 2 separator (19) by means of a front of the CO 2 -Se- (19) arranged second valve (21 ' ) is shut off or regulated.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der kom¬ primierte Teilstrom vor dem Eintritt in den Cθ2-Separator (19) in einem Kühler (26') abgekühlt wird, und dass der komprimierte Teilstrom vor dem Eintritt in den Kühler (26') in einem regenerativen Wärmetauscher (26) vorgekühlt und nach dem Verlassen des CO2-Separators (19) in dem regenerativen Wärmetauscher (26) vorgewärmt wird.18. The method as claimed in claim 17, characterized in that the compressed partial stream is cooled in a cooler (26 ') before it enters the CO 2 separator (19), and in that the compressed partial stream is cooled before it enters the cooler ( 26 ') is pre-cooled in a regenerative heat exchanger (26) and preheated after leaving the CO 2 separator (19) in the regenerative heat exchanger (26).
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeich¬ net, dass der abgezweigte Teilstrom des Rauchgases vor der Rückführung in ei- nem Kühler (20) abgekühlt und dem Teilstrom dabei optional Wasser entzogen wird.19. The method according to any one of claims 15 to 18, characterized gekennzeich¬ net, that the diverted partial flow of the flue gas is cooled before the return in a cooler (20) and the partial flow optionally water is withdrawn.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeich¬ net, dass das in der Turbine (16) der Gasturbine (12) entspannte Rauchgas zwi- schenerhitzt und in einer weiteren Turbine (16') erneut entspannt wird, und dass die weitere Turbine (16') zum Antrieb des separaten Verdichters (25') verwendet wird.20. The method according to any one of claims 15 to 19, characterized gekennzeich¬ net, that in the turbine (16) of the gas turbine (12) relaxed flue gas between interheated and in another turbine (16 ') is relaxed again, and that the another turbine (16 ') is used to drive the separate compressor (25').
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid (CO2) aus dem in der Turbine (16) der Gasturbine (12) ent¬ spannten Rauchgas abgetrennt wird, und dass nach dem Abtrennen des Kohlen¬ dioxids (CO2) ein Teilstrom abgezweigt und zum Eingang des Verdichters (25') der Gasturbine (12) zurückgeführt wird.21. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the carbon dioxide (CO2) from the in the turbine (16) of the gas turbine (12) ent¬ tensioned flue gas is separated, and that after separating the Kohlen¬ dioxide ( CO 2 ) branched off a partial flow and to the input of the compressor (25 ') of the gas turbine (12) is returned.
22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das in der22. The method according to claim 21, characterized in that in the
Turbine (16) der Gasturbine (12) entspannte Rauchgas vor dem Abtrennen des Kohlendioxids (CO2) in einem Kühler (20) abgekühlt und dem Rauchgas dabei optional Wasser entzogen wird.Turbine (16) of the gas turbine (12) cooled flue gas cooled before separating the carbon dioxide (CO 2 ) in a cooler (20) and the flue gas optionally water is removed.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Rauchgas in der Turbine (16) der Gasturbine (12) auf wenige bar entspannt wird, und dass das Rauchgas nach dem Abtrennen des Kohlendioxids (CO2) in einer Abgasturbine (29) weiter entspannt wird.23. The method according to claim 21 or 22, characterized in that the flue gas in the turbine (16) of the gas turbine (12) relaxed to a few bar is, and that the flue gas after the separation of carbon dioxide (CO 2 ) in an exhaust gas turbine (29) is further relaxed.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeich- net, dass das Sauerstoff enthaltende Gas vor der Verdichtung in der Gasturbine24. The method according to any one of claims 21 to 23, marked thereby, that the oxygen-containing gas before compression in the gas turbine
(12) in einem weiteren Verdichter (25) vorverdichtet und anschliessend in einem Zwischenkühler (35) zwischengekühlt wird.(12) pre-compressed in a further compressor (25) and then intercooled in an intercooler (35).
25. Energieerzeugungsanlage (10, 30, 32) zur Durchführung des Verfah- rens nach Anspruch 1 , umfassend eine Gasturbine (12) mit einem Verdichter (13,25. A power plant (10, 30, 32) for carrying out the method according to claim 1, comprising a gas turbine (12) with a compressor (13,
14; 25), einer Turbine (16) und einer zwischen dem Ausgang des Verdichters (13, 14; 25) und dem Eingang der Turbine (16) angeordneten Brennkammer (15), so¬ wie eine an den Ausgang der Turbine (16) angeschlossene Abgasleitung (24) und eine von der Abgasleitung (24) abzweigende, in einen stromaufwärts der Brenn- kammer (15) liegenden Teil der Gasturbine (12) zurückführende Rückführungs¬ leitung (34), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des durch die Rückfüh¬ rungsleitung (34) gebildeten Gaskreislaufs ein CO2-Separator (19) angeordnet ist, und dass Mittel zum Ausgleich der mit der CO2-Abtrennung verbundenen Wir¬ kungsgradverluste im Gasturbinen-Kreisprozess vorgesehen sind.14; 25), a turbine (16) and a combustion chamber (15) arranged between the outlet of the compressor (13, 14; 25) and the inlet of the turbine (16), and an exhaust pipe connected to the outlet of the turbine (16) (24) and a return line (34) which branches off from the exhaust line (24) and is located in a part of the gas turbine (12) lying upstream of the combustion chamber (15), characterized in that it can be recirculated through the return line ( 34) formed gas circuit, a CO 2 separator (19) is arranged, and that means are provided to compensate for the associated with the CO 2 separation Wir¬ kungsgradverluste in the gas turbine cycle.
26. Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Eingang des Verdichters (13, 14; 25) der Gasturbine (12) eine vor¬ zugsweise Lufttrennmembranen aufweisende Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (11 ) zur Anreicherung der von dem Verdichter (13, 14; 25) angesaugten Luft mit Sauerstoff angeordnet ist.26. A power generation plant according to claim 25, characterized in that upstream of the inlet of the compressor (13, 14, 25) of the gas turbine (12) an oxygen enrichment device (11) preferably having air separation membranes for enriching the of the compressor (13, 14; ) sucked air is arranged with oxygen.
27. Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass in der Abgasleitung (24) ein Abhitzedampferzeuger (17) angeord¬ net ist.27. Energy production plant according to claim 25 or 26, characterized gekenn¬ characterized in that in the exhaust pipe (24) a heat recovery steam generator (17) is angeord¬ net.
28. Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 25 bis 27, da¬ durch gekennzeichnet, dass der Verdichter der Gasturbine (12) zwei Verdichter- stufen (13, 14) umfasst, dass der CO2-Separator (19) zwischen den beiden Ver¬ dichterstufen (13, 14) angeordnet ist, dass zwischen dem Ausgang der ersten Verdichterstufe (13) und dem Eingang des Cθ2-Separators (19) ein Zwischen¬ kühler (18) vorgesehen ist, und dass die Rückführungsleitung (34) auf den Ein- gang der ersten Verdichterstufe (13) zurückgeführt ist.28. Power generation plant according to one of claims 25 to 27, da¬ characterized in that the compressor of the gas turbine (12) has two compressor stages (13, 14), that the CO 2 separator (19) is arranged between the two Ver¬ dichterstufen (13, 14), that between the output of the first compressor stage (13) and the input of the CO 2 separator (19 ) an intercooler (18) is provided, and that the return line (34) is returned to the input of the first compressor stage (13).
29. Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der CO2-Separator (19) mit einem Bypass (33) überbrückt ist, in welchem ein erstes, einstellbares Ventil (21) angeordnet ist, und dass vor dem CO2-Separator (19) ein zweites Ventil (21') zum Absperren oder Regeln des durch den CO2- Separator (19) geleiteten Stromes angeordnet ist.29. Power generation plant according to claim 28, characterized in that the CO 2 separator (19) is bridged with a bypass (33) in which a first, adjustable valve (21) is arranged, and that before the CO 2 separator ( 19) is arranged a second valve (21 ') for shutting off or regulating the flow conducted through the CO 2 separator (19).
30. Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 25 bis 27, da¬ durch gekennzeichnet, dass die Rückführungsleitung (34) auf den Eingang der Brennkammer (15) zurückgeführt ist, und dass in der Rückführungsleitung (34) hintereinander ein separater Verdichter (25') und der CO2-Separator (19) ange¬ ordnet sind.30. Energy generating plant according to one of claims 25 to 27, da¬ characterized in that the return line (34) is fed back to the input of the combustion chamber (15), and that in the return line (34) behind a separate compressor (25 ') and the CO 2 separator (19) are ange¬ arranged.
31. Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem separaten Verdichter (25') und dem CO2-Separator (19) ein31. Energy production plant according to claim 30, characterized in that between the separate compressor (25 ') and the CO 2 separator (19)
Kühler (26') vorgesehen ist, und dass vor dem Kühler (26') ein regenerativer Wärmetauscher (26) angeordnet ist, durch welchen das rückgeführte Gas zum Kühler (26') und das aus dem CO2-Separator (19) austretende Gas zur Brenn¬ kammer (15) strömt.Radiator (26 ') is provided, and that in front of the radiator (26') a regenerative heat exchanger (26) is arranged, through which the recirculated gas to the radiator (26 ') and the gas from the CO 2 separator (19) exiting gas flows to Brenn¬ chamber (15).
32. Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 30 oder 31 , dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der CO2-Separator (19) mit einem Bypass (33) überbrückt ist, in welchem ein erstes, einstellbares Ventil (21 ) angeordnet ist, und dass vor dem CO2-Separator (19) ein zweites Ventil (21') zum Absperren oder Regeln des durch den CO2-Separator (19) geleiteten Stromes angeordnet ist. 32. Power generation plant according to claim 30 or 31, characterized gekenn¬ characterized in that the CO 2 separator (19) is bridged with a bypass (33), in which a first adjustable valve (21) is arranged, and that before the CO 2 separator (19) is arranged a second valve (21 ') for shutting off or regulating the current passed through the CO 2 separator (19).
33. Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 30 bis 32, da¬ durch gekennzeichnet, dass in derAbgasleitung (24) hintereinander ein Zwi¬ schenerhitzer (27) und eine weitere Turbine (16') angeordnet sind.33. Energy production plant according to one of claims 30 to 32, characterized da¬, characterized in that in the exhaust gas line (24) successively a Zwi¬ schenerheater (27) and a further turbine (16 ') are arranged.
34. Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 25 bis 33, da¬ durch gekennzeichnet, dass in der Rückführungsleitung (34) ein Ventil (22) ange¬ ordnet ist.34. Power generation plant according to one of claims 25 to 33, da¬ characterized in that in the return line (34) a valve (22) is arranged ange¬.
35. Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 25 bis 34, da- durch gekennzeichnet, dass in der Rückführungsleitung (34) ein Kühler (20) ange¬ ordnet ist.35. Energy generating installation according to one of claims 25 to 34, characterized in that a cooler (20) is arranged in the return line (34).
36. Energieerzeugungsanlage nach einem der Ansprüche 25 bis 27, da¬ durch gekennzeichnet, dass der CO2-Separator (19) in der Abgasleitung (24) an- geordnet ist, und dass die Rückführungsleitung (34) vom Ausgang des CO2-Sepa- rators (19) auf den Eingang des Verdichters (25') der Gasturbine (12) zurückge¬ führt ist, und dass in der Rückführungsleitung (34) ein Ventil (31 ) vorgesehen ist.36. Power generation plant according to one of claims 25 to 27, da¬ characterized in that the CO 2 separator (19) in the exhaust pipe (24) is arranged, and that the return line (34) from the output of the CO 2 -Sepa - Rators (19) to the input of the compressor (25 ') of the gas turbine (12) zurückge leads back, and in that the return line (34), a valve (31) is provided.
37. Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Eingang des Cθ2-Separators (19) ein Kühler (20) angeordnet ist, und dass in derAbgasleitung am Ausgang des CO2-Separators (19) eine Abgas- turbine (29) vorgesehen ist.37. Energy generating installation according to claim 36, characterized in that a cooler (20) is arranged in front of the inlet of the CO 2 separator (19), and that in the exhaust gas line at the outlet of the CO 2 separator (19) there is an exhaust gas turbine (29). is provided.
38. Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekenn- zeichnet, dass vor dem Eingang des Verdichters (25') der Gasturbine (12) ein wei¬ terer Verdichter (25) mit einem nachfolgenden Zwischenkühler (35) angeordnet ist. 38. Energy generating installation according to claim 36 or 37, characterized in that upstream of the inlet of the compressor (25 ') of the gas turbine (12) a further compressor (25) with a subsequent intercooler (35) is arranged.
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