EP2744992A1 - Verfahren und vorrichtung zur rückführung von abgas aus einer gasturbine mit nachfolgendem abhitzekessel - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur rückführung von abgas aus einer gasturbine mit nachfolgendem abhitzekessel

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EP2744992A1
EP2744992A1 EP12738035.0A EP12738035A EP2744992A1 EP 2744992 A1 EP2744992 A1 EP 2744992A1 EP 12738035 A EP12738035 A EP 12738035A EP 2744992 A1 EP2744992 A1 EP 2744992A1
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EP
European Patent Office
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gas
exhaust gas
waste heat
heat boiler
gas turbine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12738035.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Thielert
Olaf Von Morstein
Jan SCHÖNEBERGER
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ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the invention relates to a method for recirculating exhaust gas from a gas turbine with subsequent waste heat boiler, wherein this exhaust gas is metered into the supply air flow of a gas turbine, so that the temperature and the composition of the exhaust gas can be controlled, and in this way highly concentrated Carbon dioxide (C0 2 ) is injected, which is injectable into a deposit, so that the balance for carbon dioxide for the entire process can be kept low or is negligible.
  • the metered recirculation of the exhaust gas, the temperature in the gas turbine can be lowered and increase the proportion of carbon dioxide in the exhaust gas significantly, so that after combustion and heat exchange, a gas scrubbing is possible, and on the one hand the carbon dioxide can be recovered and on the other hand, the proportion of free oxygen in the exhaust gas can be lowered.
  • an oxygen-enriched gas is fed with a fuel gas into a gas turbine for combustion, then diluted with exhaust gas so that the temperature can be kept low despite oxygen enrichment, and highly concentrated carbon dioxide is obtained after combustion and heat exchange.
  • gases can be used, which are suitable for driving gas turbines, which are ultimately gases that can be introduced into the gas space of a turbine, and produce no corrosive residues or combustion products during combustion.
  • gases for example, natural gas, refinery gases, biogas or synthesis gas.
  • refinery gases are, in particular, those gases which are produced during the processing of liquid fossil fuels, such as butane, hydrogen-containing gases or liquefied petroleum gas, also referred to as LPG ("Liquefied Petroleum Gas").
  • LPG Liquefied Petroleum Gas
  • One method of producing synthesis gas is, for example, coal gasification, in which a finely ground carbonaceous fuel is gasified with an oxygen-containing gas in an entrainment gasification process.
  • the synthesis gas thus obtained can be used in the drive of gas turbines by combustion.
  • a gas scrubbing is usually carried out prior to combustion, so that the fuel gas produced during combustion no corrosive gases and economic life of the gas turbine can be achieved.
  • the temperature at the combustion of fuel gases in gas turbines is usually up to 2200 ° C.
  • the hot exhaust gas is passed after combustion in a waste heat boiler, so that the sensible heat of the exhaust gas can be used to obtain steam.
  • the combustion produces carbon dioxide (C0 2 ) and water (H 2 0), so that the gas contains only nitrogen (N 2 ) in addition to these gases, if the fuel gas is subjected to gas purification before combustion. If pure oxygen is used for combustion, the exhaust gas contains practically only carbon dioxide and water.
  • Carbon dioxide is a greenhouse gas, which contributes to the warming of the earth's atmosphere. For this reason, many countries are anxious to keep the emission of carbon dioxide in the earth's atmosphere low. It is therefore technically possible to design processes in such a way that they generate less or no carbon dioxide from the outset. Since the use of pure hydrogen as a fuel gas is usually not economical, it is endeavored to provide processes with little or negligible emissions of carbon dioxide, which is usually done by a gas scrubber. The carbon dioxide is washed out by absorbing the carbon dioxide from the combustion gases with an absorbing solvent. The carbon dioxide is then obtained in the regeneration of the absorbing solvent.
  • a starting point for this is to keep the composition of the exhaust gas from a gas turbine so that a gas scrubbing causes as little effort.
  • the oxygen content of the exhaust gas to be cleaned should be as low as possible, since oxygen impairs the functionality of most absorbing solvents.
  • Many absorbing solvents used to scrub carbon dioxide contain amine groups that react with oxygen. For this reason, the composition of the exhaust gas of a gas turbine is of importance for the economy of the entire process.
  • the present invention solves this object by a method which exists in two embodiments, which are to a certain extent edge regions of a main process step, this main process step being a partial flow of the cooled exhaust gas exiting the waste heat boiler after the heat exchange in to meter in the combustion air to the gas turbine so that an increased amount of carbon dioxide is obtained, and after combustion a heat exchange for recovery the heat energy and a gas scrubbing is performed, in which carbon dioxide (C0 2 ) is obtained.
  • This procedure so to speak, constitutes an edge region, the other edge region being to avoid gas scrubbing in which pure oxygen is used as the oxidant in the gas turbine.
  • pure oxygen is used as the oxidant in the gas turbine.
  • the metered addition of the exhaust gas into the combustion air of the gas turbine is carried out so that as much exhaust gas is returned, but combustion is still possible without problems.
  • This is preferably controlled by means of measuring parameters, wherein a measuring parameter consists in the measurement of the combustion temperature in the gas turbine.
  • a measuring parameter consists in the measurement of the combustion temperature in the gas turbine.
  • the carbon dioxide is preferably obtained in highly concentrated form. This can be pure or technically pure, but can ultimately be obtained in any concentration.
  • Claimed is in particular a method for the metered return of cooled exhaust gas from the waste heat boiler of a gas turbine by burning a combustion gas suitable for combustion with an oxygen-containing gas in a gas turbine, so that mechanical energy is obtained, and the exhaust gas in a waste heat boiler indirect heat exchange water evaporates, so that hot steam is generated, and which is characterized in that a partial flow of the cooled exhaust gas is discharged after exiting the waste heat boiler in the combustion air to the gas turbine, which is passed into the gas turbine for combustion, and another partial flow the cooled exhaust gas is discharged after exiting the waste heat boiler in a gas scrubbing for the absorption of acidic gases, from which carbon dioxide (C0 2 ) is recovered.
  • Also claimed is a method for metered recirculation of cooled exhaust gas from the waste heat boiler of a gas turbine by burning a combustion gas suitable for combustion with an oxygen-containing gas in a gas turbine with an oxygen-enriched gas, so that mechanical energy is recovered, and the exhaust gas evaporates in a waste heat boiler by indirect heat exchange water, so that hot steam is generated, which is characterized in that a partial flow of the cooled exhaust gas is metered after exiting the waste heat boiler in the combustion air to the gas turbine, and the other partial flow is cooled, the water condenses out and carbon dioxide (C0 2 ) is recovered ,
  • Methods for using gas turbines with a return of partial exhaust gas streams are known in principle from EP0453059B1 or JP4116232A. However, these do not contain carbon dioxide recovery and do not meter the recirculated exhaust gas.
  • the oxygen-enriched gas is preferably taken from an air separation plant. This can also be provided by a pressure swing absorption. Ultimately, the oxygen-enriched gas can be generated arbitrarily.
  • an oxygen-enriched gas as the oxidant in the gas turbine, the proportion of carbon dioxide after combustion increases and the content of nitrogen in the exhaust gas decreases. Gas scrubbing is simplified because the gas balance of the nitrogen during gas scrubbing is low. However, this is still necessary if the nitrogen content in the carbon dioxide of the exhaust gas is technically available.
  • a partial stream of the cooled exhaust gas after exiting the waste heat boiler, is passed into a gas scrubber to absorb acid gases, from which carbon dioxide (CO 2 ) is recovered.
  • CO 2 carbon dioxide
  • the oxygen-enriched gas is pure oxygen, wherein the other partial stream obtained is cooled, so that the water condenses out and carbon dioxide (C0 2 ) is recovered.
  • the carbon dioxide can then, as in the other embodiments, be compressed and injected into the deposit.
  • pure oxygen then the nitrogen content in the exhaust gas falls away completely. Gas washing is then no longer necessary.
  • the fuel gas for the gas turbine may be of any kind, as long as it is suitable for combustion in a gas turbine. It is important, above all, that this does not produce any corrosive components during combustion, affected by the turbine could be drawn.
  • the fuel gas is synthesis gas.
  • the synthesis gas is a synthesis gas derived from a coal gasification reaction in which a finely ground carbonaceous fuel is gasified with an oxygen-containing gas in an air flow reaction.
  • Coal gasification reactions to produce synthesis gas are well known in the art, an exemplary embodiment of a coal gasification reaction for the recovery of synthesis gas is EP0616022B1.
  • the fuel gas may also be natural gas. This can be purified prior to combustion in a gas turbine so that corrosive components and in particular sulfur compounds are removed. An example of gas purification of natural gas is the ⁇ 92090 ⁇ 1. The purified natural gas is then used to fire the gas turbine.
  • the fuel gas is a refinery gas.
  • LPG Liquified Petroleum Gas
  • propanes and butanes and hydrogen which in an exemplary embodiment can be admixed with the combustion gas of a gas turbine if the process according to the invention is to be used.
  • the fuel gas is biogas.
  • This is a fuel gas, which is formed from biological raw materials, including for example wood, cattle manure, straw, or grasses. These can be obtained by way of example by fermentation, but also by way of example by gasification.
  • the resulting carbon dioxide can then be compressed and injected into a carbon dioxide deposit. Although this is the preferred embodiment within the scope of the invention, it is always conceivable to use the carbon dioxide for further purposes or to use a partial flow for reinjection into a reservoir.
  • the metering of the cooled and recirculated exhaust gas from a gas turbine with waste heat boiler is preferably carried out on the basis of measured values. This is typically the temperature of the exhaust gas from the gas turbine immediately behind the gas turbine and before entering the waste heat boiler. In one embodiment of the invention, therefore, the proportion of the recirculated gas stream from the waste heat boiler and the amount of the substream metered into the gas turbine are controlled by measured values of the temperature of the exhaust gas from the gas turbine.
  • gas turbine mechanical energy is generated, which can be used arbitrarily. This can be used as an example for generating electricity.
  • the heat energy from the waste heat boiler can be used arbitrarily. This is preferably used to generate steam and via a turbine to generate electricity.
  • the invention has the advantage of providing purified carbon dioxide (CO 2 ) from a gas turbine for compression and re-injection into a deposit, the economics of the process being improved by having a partial flow of the exhaust gas from the gas turbine in the gas flow direction behind the waste heat boiler is returned to the gas turbine and metered into the combustion air, so that the proportion of carbon dioxide in the exhaust gas is increased so that either a gas scrubbing to remove the carbon dioxide from the exhaust gas can be carried out in an economical manner or ideally completely eliminated when using an oxygen-enriched oxidizing agent ,
  • FIG.1 shows the inventive method in which a first partial flow of the exhaust gas is returned behind the waste heat boiler and is metered into the gas turbine, and the second partial flow of the exhaust gas behind the waste heat boiler of a gas scrubber is supplied for carbon dioxide.
  • 2 shows the inventive method in which a first partial flow of the exhaust gas is returned behind the waste heat boiler and is metered into the gas turbine, which is heated with pure oxygen as the oxidant, and condensed the second partial flow of the exhaust gas behind the waste heat boiler and as a ner carbon dioxide stream is used.
  • the exhaust gas (5) from the gas turbine (1) is supplied to a heat boiler (6), in which the exhaust gas (5) its sensible heat via indirect heat exchange to supplied water (6a) and thereby steam (6b) is obtained.
  • a partial flow of the exhaust gas (5a) is returned and metered via the mixing valve (4) in the combustion air (3). This increases the proportion of carbon dioxide in the exhaust gas (5).
  • the temperature of the combustion gas and exhaust gas (5) is lowered, which is gentle on the gas turbine (1).
  • the other partial stream of the exhaust gas (5b) is added to a gas scrubber (7) with an absorbing solvent in which the carbon dioxide (C0 2 , 8) is washed out to obtain a carbon dioxide-free residual gas (7a).
  • This is recovered in the regeneration (9) of the solvent and can be compressed and injected into a reservoir.
  • the metering of the return (5a) takes place via the control of the mixing valve (4) on the basis of the measurement of the temperature of the exhaust gas (5) with a measuring sensor (10) and is controlled by a computer (10a).
  • gas turbine (1) which with a hydrocarbon-containing fuel gas (2) and pure oxygen (11) from an air separation plant (11a), which outlet air (3a) in oxygen (11) and the remaining components ( 11b), (11a) is heated, via a mixing valve (4) pure oxygen (11) is added as the oxidant, and by the combustion in the gas turbine (1) mechanical energy is obtained.
  • the exhaust gas (5) from the gas turbine (1) is supplied to a waste heat boiler, in which the exhaust gas (5) its sensible heat via indirect heat exchange to supplied water (6a) and thereby steam (6b) is obtained.
  • a partial flow of the exhaust gas (5a) is returned and metered via the mixing valve (4) in the oxygen (11).
  • the exhaust gas (5) contains only water (H 2 0) and carbon dioxide (C0 2 ).
  • the second part stream (5b) of the cooled exhaust gas is further cooled (5c) for condensation, so that after separation of the condensed water (5d) practically pure carbon dioxide (8) is obtained.
  • the temperature of the combustion gas and exhaust gas (5) is lowered by the return, which is gentle on the gas turbine (1).
  • the carbon dioxide (8) can be compressed and injected into a reservoir.
  • the metering of the return takes place via the control of the mixing valve (4) on the basis of the measurement of the temperature of the exhaust gas (5) via a measuring sensor (10) and is controlled by a computer (10a).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückführung von Abgas aus einer Gasturbine mit nachfolgendem Abhitzekessel, wobei dieses Abgas in den Zuluftstrom einer Gasturbine zudosiert wird, so dass die Temperatur und die Zusammensetzung des Abgases gesteuert werden können, und auf diese Weise hochkonzentriertes Kohlendioxid (C02) erhalten wird, welches in eine Lagerstätte injizierbar ist, so dass die Bilanz für Kohlendioxid für den gesamten Prozess niedrig gehalten werden kann oder vernachlässigbar ist. Durch die dosierte Zurückführung des Abgases lässt sich die Temperatur in der Gasturbine senken und der Anteil an Kohlendioxid im Abgas erheblich erhöhen, so dass nach erfolgter Verbrennung und Wärmetausch eine Gaswäsche möglich ist, und einerseits das Kohlendioxid zurückerhalten werden kann und andererseits der Anteil an freiem Sauerstoff im Abgas gesenkt werden kann. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein mit Sauerstoff angereichertes Gas mit einem Brenngas in eine Gasturbine zur Verbrennung eingespeist, dieses dann mit Abgas verdünnt, so dass die Temperatur trotz der Sauerstoffanreicherung niedrig gehalten werden kann, und nach Verbrennung und Wärmetausch hochkonzentriertes Kohlendioxid erhalten wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Rückführung von Abgas aus einer Gasturbine mit nachfolgendem Abhitzekessel
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückführung von Abgas aus einer Gasturbine mit nachfolgendem Abhitzekessel, wobei dieses Abgas in den Zuluftstrom ei- ner Gasturbine zudosiert wird, so dass die Temperatur und die Zusammensetzung des Abgases gesteuert werden können, und auf diese Weise hochkonzentriertes Kohlendioxid (C02) erhalten wird, welches in eine Lagerstätte injizierbar ist, so dass die Bilanz für Kohlendioxid für den gesamten Prozess niedrig gehalten werden kann oder vernachlässigbar ist. Durch die dosierte Zurückführung des Abgases lässt sich die Temperatur in der Gas- turbine senken und der Anteil an Kohlendioxid im Abgas erheblich erhöhen, so dass nach erfolgter Verbrennung und Wärmetausch eine Gaswäsche möglich ist, und einerseits das Kohlendioxid zurückerhalten werden kann und andererseits der Anteil an freiem Sauerstoff im Abgas gesenkt werden kann. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein mit Sauerstoff angereichertes Gas mit einem Brenngas in eine Gasturbine zur Verbrennung eingespeist, dieses dann mit Abgas verdünnt, so dass die Temperatur trotz der Sauerstoffanreicherung niedrig gehalten werden kann, und nach Verbrennung und Wärmetausch hochkonzentriertes Kohlendioxid erhalten wird.
[0002] Viele Prozesse zur Erzeugung von Energie nutzen die Verbrennung von brennbaren Gasen in einer Gasturbine, welche die unmittelbare Verbrennungsenergie in mechanische Energie umwandelt. Die heißen Abgase werden dann in einem Wärmetauscher gekühlt, wobei Dampf erzeugt wird, der wiederum eine zweite Turbine antreibt, welche ebenfalls mechanische Energie erzeugt. Die mechanische Energie wiederum kann für verschiedene Zwecke genutzt werden, häufig wird sie zum Antrieb von Hilfsaggregaten oder zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt. Solche Prozesse, die häufig bei- spielsweise in GuD-(„Gas und Dampf )-Kraftwerken eingesetzt werden und nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung arbeiten, besitzen einen hohen Wirkungsgrad.
[0003] Als Brenngas für solche Prozesse können alle Gase eingesetzt werden, die sich zum Antrieb von Gasturbinen eignen, was letztlich Gase sind, die sich in den Gasraum einer Turbine einbringen lassen, und die bei der Verbrennung keine korrosiven Rückstände oder Verbrennungsprodukte erzeugen. Dies sind beispielsweise Erdgas, Raffineriegase, Biogase oder Synthesegas. Unter Raffineriegasen sind insbesondere solche Gase zu verstehen, die bei der Verarbeitung von flüssigen fossilen Brennstoffen entstehen, wie Butan, wasserstoffhaltige Gase oder Flüssiggas, auch als LPG („Liquified Petroleum Gas") bezeichnet. Wird beispielsweise Synthesegas verwendet, so kann dies belie- big erzeugt werden. Ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas ist beispielsweise die Kohlevergasung, bei der ein feingemahlener kohlenstoffhaltiger Brennstoff mit einem sauerstoffhaltigen Gas in einer Flugstromvergasung vergast wird. Das so erhaltene Synthesegas kann beim Antrieb von Gasturbinen durch Verbrennung genutzt werden. Um die Verwendbarkeit des Brenngases in eine Gasturbine zu gewährleisten, wird in der Regel vor der Verbrennung eine Gaswäsche durchgeführt, so dass das Brenngas bei der Verbrennung keine korrosiven Gase produziert und eine wirtschaftliche Lebensdauer der Gasturbine erzielt werden kann.
[0004] Die Temperatur bei der Verbrennung von Brenngasen in Gasturbinen beträgt in der Regel bis zu 2200 °C. Das heiße Abgas wird nach der Verbrennung in einen Abhitzekessel geleitet, so dass die fühlbare Wärme des Abgases zur Gewinnung von Dampf genutzt werden kann. Bei der Verbrennung entstehen Kohlendioxid (C02) und Wasser (H20), so dass das Gas außer diesen Gasen nur noch Stickstoff (N2) enthält, wenn das Brenngas vor der Verbrennung einer Gasreinigung unterzogen wird. Wird reiner Sauer- Stoff für die Verbrennung genutzt, so enthält das Abgas praktisch nur noch Kohlendioxid und Wasser.
[0005] Kohlendioxid ist ein Treibhausgas, welches zur Erwärmung der Erdatmosphäre beiträgt. Aus diesem Grund sind viele Länder bestrebt, den Ausstoß an Kohlendioxid in die Erdatmosphäre gering zu halten. Es ist deshalb technisch möglich, Prozesse so aus- zulegen, dass diese von vornherein weniger oder kein Kohlendioxid erzeugen. Da die Verwendung von reinem Wasserstoff als Brenngas in der Regel nicht wirtschaftlich ist, ist man bestrebt, Prozesse mit geringem oder vernachlässigbaren Ausstoß von Kohlendioxid zur Verfügung zu stellen, was in der Regel durch eine Gaswäsche geschieht. Dabei wird das Kohlendioxid durch Absorption des Kohlendioxids aus den Verbrennungsgasen mit einem absorbierenden Lösungsmittel herausgewaschen. Das Kohlendioxid wird dann bei der Regeneration des absorbierenden Lösungsmittels erhalten.
[0006] Um das dabei erhaltene Kohlendioxid nicht nach der Gaswäsche wieder in die Atmosphäre geben zu müssen, kann das Kohlendioxid aufkomprimiert werden, und in eine Lagerstätte injiziert werden. Damit wird dieses Gas dauerhaft der Atmosphäre entzo- gen. Ein Beispiel für ein Verfahren zur Reinjektion von aufkomprimiertem Kohlendioxid in eine Lagerstätte gibt die EP1258595A2.
[0007] Eine solche Reinjektion von Kohlendioxid in eine Lagerstätte hält den Aus- stoss von Kohlendioxid in die Atmosphäre zwar gering oder vernachlässigbar, schmälert jedoch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Die Gaswäsche zur Entfernung von Kohlendioxid, die Aufkomprimierung des Kohlendioxids, ein eventueller Transport des komprimierten Kohlendioxids und die Reinjektion in eine Lagerstätte verursacht zusätzliche Kosten, die sich auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens auswirken. Aus diesem Grund ist man bestrebt, die Kosten für die zusätzlichen Verfahrensschritte, die für die Weiterverarbeitung des Kohlendioxids erforderlich sind, so gering wie möglich zu halten.
[0008] Ein Ansatzpunkt hierzu ist, die Zusammensetzung des Abgases aus einer Gasturbine so zu halten, dass eine Gaswäsche möglichst wenig Aufwand verursacht. Dies bedeutet in erster Linie, den Kohlendioxidanteil des Abgases möglichst hoch zu hal- ten, damit eine Gaswäsche nur eine geringe Aufkonzentrierung vornehmen muss. Weiterhin sollte der Sauerstoffanteil des zu reinigenden Abgases möglichst niedrig liegen, da Sauerstoff die Funktionsfähigkeit der meisten absorbierenden Lösungsmittel beeinträchtigt. Viele absorbierenden Lösungsmittel, die zur Gaswäsche von Kohlendioxid genutzt werden, enthalten Amingruppen, die mit Sauerstoff reagieren. Aus diesem Grund ist die Zusammensetzung des Abgases einer Gasturbine von Wichtigkeit für die Wirtschaftlichkeit des gesamten Prozesses.
[0009] Es ist deshalb von Vorteil, wenn ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit nachfolgender Wärmerückgewinnung ein Abgas produziert, welches von vornherein einen hohen Anteil an Kohlendioxid und einen sehr niedrigen Anteil an Sauerstoff (02) be- sitzt. Zudem sollte der Anteil an Stickstoff als Ballastgas möglichst gering sein. Weitere Gase sollten ebenfalls nur in untergeordnetem Maße vorhanden sein. Dies ist jedoch in der Regel ohnehin der Fall, wenn vor der Verbrennung eine Gaswäsche durchgeführt wird, und die Verbrennung stöchiometrisch gehandhabt wird.
[0010] Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, wel- ches einen möglichst hohen volumenprozentualen Gehalt an Kohlendioxid und einen möglichst niedrigen volumenprozentualen Anteil an Sauerstoff enthält. Der Verfahren soll es zudem ermöglichen, den volumenprozentualen Anteil an Stickstoff gering zu halten.
[0011] Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren, welches in zwei Ausführungsformen existiert, die gewissermaßen Randbereiche eines Hauptverfah- rensschrittes sind, wobei dieser Hauptverfahrensschritt darin besteht, einen Teilstrom des gekühlten Abgases, welcher aus dem Abhitzekessel austritt, nach dem Wärmetausch in die Verbrennungsluft zur Gasturbine zuzudosieren, so dass ein erhöhter Anteil an Kohlendioxid erhalten wird, und nach der Verbrennung ein Wärmetausch zur Rückgewinnung der Wärmeenergie und eine Gaswäsche durchgeführt wird, bei der Kohlendioxid (C02) erhalten wird. Diese Verfahrenweise stellt gewissermaßen einen Randbereich dar, wobei der andere Randbereich darin besteht, die Gaswäsche zu vermeiden, in dem reiner Sauerstoff als Oxidationsmittel in der Gasturbine genutzt wird. Dadurch werden bei der Verbrennung nur Kohlendioxid und Wasser erzeugt, so dass nach Auskondensation des Wassers reines Kohlendioxid (C02) erhalten wird.
[0012] Die Zudosierung des Abgases in die Verbrennungsluft der Gasturbine erfolgt so, dass möglichst viel Abgas zurückgeführt wird, aber eine Verbrennung dennoch problemlos möglich ist. Diese wird vorzugsweise anhand von Messparametern geregelt, wobei ein Messparameter in der Messung der Verbrennungstemperatur in der Gasturbine besteht. Bei guter Handhabung dieser Verfahrensweise erhält man auch ein Abgas, welches nur noch wenig Sauerstoff enthält. Es ist auch möglich, ein sauerstoffangereichertes Gas für die Verbrennung in der Gasturbine zu nutzen, und nach der Wärmerückgewinnung eine Gaswäsche durchzuführen. In diesem Fall wird der Sauerstoffanteil im Abgas vorteil- haft so gehalten, dass keine nennenswerte Beeinträchtigung der Gaswäsche stattfindet.
[0013] Das Kohlendioxid wird dabei bevorzugt in hochkonzentrierter Form erhalten. Dieses kann rein oder technisch rein sein, kann jedoch letztlich in jeder beliebigen Konzentration erhalten werden.
[0014] Beansprucht wird insbesondere ein Verfahren zur dosierten Rückführung von gekühltem Abgas aus dem Abhitzekessel einer Gasturbine, indem ein zur Verbrennung mit einem sauerstoffhaltigen Gas geeignetes Brenngas in einer Gasturbine verbrannt wird, so dass mechanische Energie gewonnen wird, und das Abgas in einem Abhitzekessel durch indirekten Wärmetausch Wasser verdampft, so dass heißer Dampf erzeugt wird, und welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Teilstrom des gekühlten Abgases nach Austritt aus dem Abhitzekessel in die Verbrennungsluft zur Gasturbine zudosiert wird, welches in die Gasturbine zur Verbrennung geleitet wird, und ein weiterer Teilstrom des gekühlten Abgases nach Austritt aus dem Abhitzekessel in eine Gaswäsche zur Absorption von sauren Gasen geleitet wird, aus welcher Kohlendioxid (C02) gewonnen wird.
[0015] Beansprucht wird weiterhin ein Verfahren zur dosierten Rückführung von ge- kühltem Abgas aus dem Abhitzekessel einer Gasturbine, indem ein zur Verbrennung mit einem sauerstoffhaltigen Gas geeignetes Brenngas in einer Gasturbine mit einem sauerstoffangereichertem Gas verbrannt wird, so dass mechanische Energie gewonnen wird, und das Abgas in einem Abhitzekessel durch indirekten Wärmetausch Wasser verdampft, so dass heißer Dampf erzeugt wird, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Teilstrom des gekühlten Abgases nach Austritt aus dem Abhitzekessel in die Verbrennungsluft zur Gasturbine zudosiert wird, und der andere Teilstrom gekühlt wird, so das Wasser auskondensiert und Kohlendioxid (C02) gewonnen wird. [0016] Verfahren zur Verwendung von Gasturbinen mit einer Rückführung von Abgasteilströmen sind prinzipiell aus der EP0453059B1 oder der JP4116232A bekannt. Diese enthalten jedoch keine Kohlendioxidrückgewinnung und dosieren das zurückgeführte Abgas nicht.
[0017] Das sauerstoffangereicherte Gas wird vorzugsweise einer Luftzerlegungsan- läge entnommen. Dieses kann aber auch durch eine Druckwechselabsorption bereitgestellt werden. Letztlich kann das sauerstoffangereicherte Gas beliebig erzeugt werden. Durch die Verwendung von einem sauerstoffangereicherten Gas als Oxidationsmittel in der Gasturbine steigt der Anteil an Kohlendioxid nach der Verbrennung und sinkt der Anteil an Stickstoff in dem Abgas. Eine Gaswäsche vereinfacht sich dadurch, da der Gasbal- last des Stickstoffs bei der Gaswäsche niedrig ist. Diese ist aber dennoch erforderlich, wenn der Stickstoffanteil in dem Kohlendioxid des Abgases technisch vorhanden ist. In einer Ausführungsform der Erfindung wird bei der Verwendung von sauerstoffangereicherter Verbrennungsluft ein Teilstrom des gekühlten Abgases nach Austritt aus dem Abhitzekessel in eine Gaswäsche zur Absorption von sauren Gasen geleitet, aus welcher Koh- lendioxid (C02) gewonnen wird. Bei der Verwendung von einem sauerstoffangereicherten Gas als Oxidationsmittel muss die Verbrennung durch Zudosierung von gekühltem Abgas richtig gehandhabt werden, um den Gehalt an Restsauerstoff in der Verbrennung niedrig zu halten.
[0018] In einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem sauerstoffan- gereicherten Gas um reinen Sauerstoff, wobei der andere erhaltene Teilstrom gekühlt wird, so das Wasser auskondensiert und Kohlendioxid (C02) gewonnen wird. Das Kohlendioxid kann dann, wie in den anderen Ausführungsformen auch, aufkomprimiert werden und in die Lagerstätte injiziert werden. Bei der Verwendung von reinem Sauerstoff fällt dann der Stickstoffanteil in dem Abgas ganz weg. Eine Gaswäsche ist dann nicht mehr erforderlich.
[0019] Das Brenngas für die Gasturbine kann beliebig geartet sein, solange es zur Verbrennung in einer Gasturbine geeignet ist. Wichtig ist hierzu vor allem, das dieses bei der Verbrennung keine korrosiven Bestandteile liefert, durch die Turbine in Mitleidenschaft gezogen werden könnte. In einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Brenngas um Synthesegas.
[0020] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Synthesegas um ein Synthesegas, welches aus einer Kohlevergasungsreaktion stammt, in weicher ein feingemahlener kohlenstoffhaltiger Brennstoff mit einem sauerstoffhaltigen Gas in einer Flugstromreaktion vergast wird. Kohlevergasungsreaktionen zur Erzeugung von Synthesegas sind im Stand der Technik weitläufig bekannt, eine beispielhafte Ausführungsform einer Kohlevergasungsreaktion zur Gewinnung von Synthesegas gibt die EP0616022B1. [0021] Bei dem Brenngas kann es sich aber auch um Erdgas handeln. Dieses kann vor der Verbrennung in einer Gasturbine aufgereinigt werden, so dass korrosive Bestandteile und insbesondere Schwefelverbindungen entfernt werden. Ein Beispiel für eine Gasreinigung von Erdgas gibt die ΕΡ92090 Β1. Das gereinigte Erdgas wir dann zu Befeuerung der Gasturbine genutzt. [0022] In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Brenngas um ein Raffineriegas. Bei der Verarbeitung von flüssigen fossilen Brennstoffen fallen häufig Gase an, die zur Beheizung von Gasturbinen genutzt werden können. Beispiele hierzu sind LPG („Liquified Petroleum Gas"), Propane und Butane und Wasserstoff. Letzterer kann in einer beispielhaften Ausführungsform dem Verbrennungsgas einer Gas- turbine beigemischt werden, wenn das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommen soll.
[0023] In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Brenngas um Biogas. Dies ist ein Brenngas, welches aus biologischen Rohstoffen gebildet wird, wozu beispielhaft Holz, Viehdung, Stroh, oder Gräser gehören. Diese können beispielhaft durch Fermentation, aber auch beispielhaft durch Vergasung gewonnen werden.
[0024] Das erhaltene Kohlendioxid kann dann aufkomprimiert und in eine Kohlendioxidlagerstätte injiziert werden. Obwohl dies im Rahmen der Erfindung die bevorzugte Ausführungsform ist, ist es jederzeit denkbar, das Kohlendioxid für weitere Zwecke zu verwenden oder einen Teilstrom zur Reinjektion in eine Lagerstätte zu verwenden. [0025] Die Dosierung des gekühlten und rückgeführten Abgases aus einer Gasturbine mit Abhitzekessel erfolgt bevorzugt anhand von Messwerten. Dies ist typischerweise die Temperatur des Abgases aus der Gasturbine unmittelbar hinter der Gasturbine und vor Eintritt in den Abhitzekessel. In einer Ausführungsform der Erfindung wird also der An- teil des zurückgeführten Gasstroms aus dem Abhitzekessel und die Menge des in die Gasturbine zudosierten Teilstroms durch Messwerte der Temperatur des Abgases aus der Gasturbine geregelt. Dies ist eine bevorzugte Ausführungsform, es ist aber auch möglich, beispielsweise die Gasbestandteile im Abgas zu messen und anhand dieser Messwerte die Dosierung des gekühlten und zurückgeführten Abgases vorzunehmen. Geeig- nete Gasbestandteile zur Messung sind beispielsweise Kohlendioxid (C02) oder Sauerstoff (02). Die Steuerung erfolgt dann manuell oder rechnergesteuert. Beansprucht wird auch eine Vorrichtung zur Ausführung, insofern eine entsprechende Verschaltung von Anlagenteilen vorhanden ist.
[0026] Mit der Gasturbine wird mechanische Energie erzeugt, die beliebig verwendet werden kann. Diese kann beispielhaft zur Erzeugung von Strom genutzt werden. Auch die Wärmeenergie aus dem Abhitzekessel kann beliebig verwendet werden. Diese wird bevorzugt zur Erzeugung von Dampf und über eine Turbine zur Erzeugung von Strom genutzt. In dem erfindungsgemäßen Verfahren können letztlich beliebig viele Turbinen zur
Anwendung kommen. [0027] Die Erfindung besitzt den Vorteil, gereinigtes Kohlendioxid (C02) aus einer Gasturbine zur Aufkomprimierung und zur Reinjektion in eine Lagerstätte bereitzustellen, wobei die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens dadurch verbessert wird, dass ein Teilstrom des Abgases aus der Gasturbine in Gasflußrichtung hinter dem Abhitzekessel in die Gasturbine zurückgeführt und in die Verbrennungsluft zudosiert wird, so dass der Anteil an Kohlendioxid in dem Abgas so erhöht wird, dass entweder eine Gaswäsche zur Entfernung des Kohlendioxids aus dem Abgas in wirtschaftlicher Weise durchgeführt werden kann oder bei Verwendung eines sauerstoffangereicherten Oxidationsmittels idealerweise ganz entfällt.
[0028] Die Erfindung wird anhand von zwei Zeichnungen erläutert, wobei diese nur beispielhafte Ausführungsformen darstellen und nicht auf diese beschränkt sind.
[0029] FIG.1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren, in dem ein erster Teilstrom des Abgases hinter dem Abhitzekessel zurückgeführt wird und in die Gasturbine zudosiert wird, und der zweite Teilstrom des Abgases hinter dem Abhitzekessel einer Gaswäsche für Kohlendioxid zugeführt wird. FIG.2 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren, in dem ein erster Teilstrom des Abgases hinter dem Abhitzekessel zurückgeführt wird und in die Gasturbine zudosiert wird, welche mit reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel beheizt wird, und der zweite Teilstrom des Abgases hinter dem Abhitzekessel kondensiert und als rei- ner Kohlendioxidstrom verwendet wird.
[0030] FIG.1 zeigt eine Gasturbine (1), welche mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Brenngas (2) und Verbrennungsluft (3) beheizt wird, wobei die Verbrennungsluft (3) über ein Mischventil (4) zudosiert wird, und durch die Verbrennung in der Gasturbine (1) mechanische Energie gewonnen wird. Das Abgas (5) aus der Gasturbine (1) wird einem Ab- hitzekessel (6) zugeführt, in welchem das Abgas (5) seine fühlbare Wärme über indirekten Wärmetausch an zugeführtes Wasser (6a) abgibt und dadurch Dampf (6b) gewonnen wird. Ein Teilstrom des Abgases (5a) wird zurückgeführt und über das Mischventil (4) in die Verbrennungsluft (3) zudosiert. Dadurch erhöht sich der Anteil an Kohlendioxid in dem Abgas (5). Zusätzlich wird die Temperatur des Verbrennungsgases und Abgases (5) ge- senkt, was schonend für die Gasturbine (1) ist. Der andere Teilstrom des Abgases (5b) wird in eine Gaswäsche (7) mit einem absorbierenden Lösungsmittel gegeben, in der das Kohlendioxid (C02, 8) herausgewaschen wird, wobei ein kohlendioxidfreies Restgas (7a) erhalten wird. Dieses wird in der Regeneration (9) des Lösungsmittels zurückerhalten und kann aufkomprimiert und in eine Lagerstätte injiziert werden. Die Dosierung der Zurück- führung (5a) erfolgt über die Steuerung des Mischventils (4) anhand der Messung der Temperatur des Abgases (5) mit einem Messfühler (10) und wird über einen Rechner (10a) gesteuert vorgenommen.
[0031] FIG.2 zeigt ebenfalls eine Gasturbine (1), welche mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Brenngas (2) und reinem Sauerstoff (11) aus einer Luftzerlegungsanlage (11a), welche Ausgangsluft (3a) in Sauerstoff (11) und die restlichen Bestandteile (11b) zerlegt, (11a) beheizt wird, wobei über ein Mischventil (4) reiner Sauerstoff (11) als Oxidationsmittel zudosiert wird, und durch die Verbrennung in der Gasturbine (1) mechanische Energie gewonnen wird. Das Abgas (5) aus der Gasturbine (1) wird einem Abhitzekessel zugeführt, in welchem das Abgas (5) seine fühlbare Wärme über indirekten Wärmetausch an zugeführtes Wasser (6a) abgibt und dadurch Dampf (6b) gewonnen wird. Ein Teilstrom des Abgases (5a) wird zurückgeführt und über das Mischventil (4) in den Sauerstoff (11) zudosiert. Durch die Verwendung von reinem Sauerstoff (11) als Oxidationsmittel enthält das Abgas (5) nur Wasser (H20) und Kohlendioxid (C02). Der zweite Teilstrom (5b) des gekühlten Abgases wird zur Kondensation weiter gekühlt (5c), so dass nach Abtrennung des auskondensierten Wassers (5d) praktisch reines Kohlendioxid (8) erhalten wird. Zu- sätzlich wird die Temperatur des Verbrennungsgases und Abgases (5) durch die Rückführung gesenkt, was schonend für die Gasturbine (1) ist. Das Kohlendioxid (8) kann aufkomprimiert und in eine Lagerstätte injiziert werden. Die Dosierung der Zurückführung erfolgt über die Steuerung des Mischventils (4) anhand der Messung der Temperatur des Abgases (5) über einen Messfühler (10) und wird über einen Rechner (10a) gesteuert vorgenommen.
[0032] Bezugszeichenliste
1 Gasturbine
2 Kohlenwasserstoffhaltiges Brenngas
3 Verbrennungsluft
3a Luft für die Luftzerlegungsanlage
4 Mischventil
5 Abgas
5a Erster Teilstrom des Abgases
5b Zweiter Teilstrom des Abgases
5c Kühler oder Kondensator
5d Kondensiertes Wasser
6 Abhitzekessel oder Wärmetauscher
6a Wasser
6b Dampf
7 Gaswäsche
8 Kohlendioxid (C02)
9 Regenerationseinrichtung
10 Temperaturmessfühler
10a Rechner
Sauerstoffhaltiges gasförmiges Oxidationsmittel
Luftzerlegungsanlage
Restliche Luftbestandteile

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur dosierten Rückführung von gekühltem Abgas (5a) aus dem Abhitzekessel (6) einer Gasturbine (1), indem ein zur Verbrennung mit einem sauerstoffhaltigen Gas (3,11) geeignetes Brenngas (2) in einer Gasturbine (1) verbrannt wird, so dass mechanische Energie gewonnen wird, und das Abgas (5) in einem Abhitzekessel (6) durch indirekten Wärmetausch Wasser (6a) verdampft, so dass heißer Dampf (6b) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom (5a) des gekühlten Abgases (5) nach Austritt aus dem Abhitzekessel (6) in die Verbrennungsluft zur Gasturbine (1 ) zudosiert wird, welches in die Gasturbine (1) zur Verbrennung geleitet wird, und ein weiterer Teilstrom (5b) des gekühlten Abgases nach Austritt aus dem Abhitzekessel (6) in eine Gaswäsche (7) zur Absorption von sauren Gasen geleitet wird, aus welcher Kohlendioxid (8,C02) gewonnen wird.
2. Verfahren zur dosierten Rückführung von gekühltem Abgas (5a) aus dem Abhitzekessel (6) einer Gasturbine (1), indem ein zur Verbrennung mit einem sauerstoffhaltigen Gas (3,11) geeignetes Brenngas (2) in einer Gasturbine (1 ) mit einem sauerstoffangereichertem Gas (11) verbrannt wird, so dass mechanische Energie gewonnen wird, und das Abgas (5) in einem Abhitzekessel (6) durch indirekten Wärmetausch Wasser (6a) verdampft, so dass heißer Dampf (6b) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom (5a) des gekühlten Abgases nach Austritt aus dem Abhitzekessel (6) in die Verbrennungsluft (11) zur Gasturbine (1) zudosiert wird, und der andere Teilstrom (5b) in einem Kühler (5c) gekühlt wird, so das Wasser (5d) auskondensiert und Kohlendioxid (8,C02) gewonnen wird.
3. Verfahren zur dosierten Rückführung von gekühltem Abgas (5a) aus dem Abhitzekessel (6) einer Gasturbine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der andere Teilstrom (5b) des gekühlten Abgases nach Austritt aus dem Abhitzekessel (6) in eine Gaswäsche (7) zur Absorption von sauren Gasen geleitet wird, aus welcher Kohlendioxid (8, C02) gewonnen wird.
4. Verfahren zur dosierten Rückführung von gekühltem Abgas (5a) aus dem Abhitzekessel (6) einer Gasturbine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem sauerstoffangereicherten Gas (11) um reinen Sauerstoff handelt, und der andere Teilstrom (5b) gekühlt wird, so das Wasser (5d) auskondensiert und Kohlendioxid (8,C02) gewonnen wird.
5. Verfahren zur dosierten Rückführung von gekühltem Abgas (5a) aus dem Abhitzekessel (6) einer Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Brenngas (2) um Synthesegas handelt.
6. Verfahren zur dosierten Rückführung von gekühltem Abgas (5a) aus dem Abhitzekessel (6) einer Gasturbine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas (2) aus einer Kohlevergasungsreaktion stammt, in welcher ein feingemahlener kohlenstoffhaltiger Brennstoff mit einem sauerstoffhaltigen Gas in einer Flugstromreaktion vergast wird.
7. Verfahren zur dosierten Rückführung von gekühltem Abgas (5a) aus dem Abhitzekessel (6) einer Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Brenngas (2) um Erdgas handelt.
8. Verfahren zur dosierten Rückführung von gekühltem Abgas (5a) aus dem Abhitzekessel (6) einer Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Brenngas (2) um ein Raffineriegas handelt.
9. Verfahren zur dosierten Rückführung von gekühltem Abgas (5a) aus dem Abhitzekessel (6) einer Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Brenngas (2) um Biogas handelt.
Verfahren zur dosierten Rückführung von gekühltem Abgas (5a) aus dem Abhitzekessel (6) einer Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erhaltene Kohlendioxid (8) aufkomprimiert und in eine Kohlendioxidlagerstätte injiziert wird.
11. Verfahren zur dosierten Rückführung von gekühltem Abgas (5a) aus dem Abhitzekessel (6) einer Gasturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des zurückgeführten Gasstroms (5a) aus dem Abhitzekessel (6) und die Menge des in die Gasturbine (1) zudosierten Teilstroms durch Messwerte (10) der Temperatur des Abgases (5) aus der Gasturbine (1) geregelt wird.
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