EP3601498A1 - Verfahren und vorrichtung zur entschwefelung eines schwefelwasserstoff enthaltenden gasstroms - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur entschwefelung eines schwefelwasserstoff enthaltenden gasstroms

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EP3601498A1 EP18725749.8A EP18725749A EP3601498A1 EP 3601498 A1 EP3601498 A1 EP 3601498A1 EP 18725749 A EP18725749 A EP 18725749A EP 3601498 A1 EP3601498 A1 EP 3601498A1
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Definitions

  • liquid redox processes are particularly suitable.
  • This liquid redox process is based on the concept of reactive absorption, in this case a combination of absorption and oxidation.
  • the hydrogen sulfide contained in the gas is chemically or physically bound to an active substance of the washing medium.
  • Gas stream must be compressed in order to be fed into the combustion chamber can.
  • this process variant compared to a regeneration at atmospheric pressure, a much smaller air volume flow has to be compressed than if the pressure increase necessary for the regeneration had to be achieved by a separate compressor.
  • this embodiment also represents a particularly preferred use of the exhaust air, since only an additional connection piece is required for this purpose.
  • emissions can be reduced because the potentially contaminated exhaust air from the regeneration stage passes through the combustion process of the gas turbine, rather than, for example, simply being blown out.
  • the separation of the elemental sulfur contained in the washing medium is desired.
  • at least one partial stream of the washing medium, which in addition to the reduced catalyst just contains the precipitated elemental sulfur, is preferably separated off.
  • the separation of the precipitated sulfur at different points is possible.
  • the partial flow can take place, for example, either before the expansion of the washing medium in the flash container or else afterwards.
  • it is preferable to remove so much sulfur that the concentration of the precipitated sulfur in the washing medium after separation is about 5%.
  • a removal line for removing a partial flow of the washing medium is preferably included.
  • the extraction line can in principle be connected to different positions of the device, wherein a removal from the designed as a flash tank expansion stage is preferred. Accordingly, the extraction line is expediently connected to the expansion stage. In this way, a part of the dation of hydrogen sulfide precipitated elemental sulfur are separated from the washing medium.
  • the preferred concentration of precipitated sulfur remaining in the wash medium after separation is about 5%.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Entschwefelung eines Schwefelwasserstoff (9) enthaltenden Gasstroms (3), insbesondere eines zur Verbrennung in einer Gasturbine (31) nutzbaren Brenngasstroms (3), wobei der Gasstrom (3) zur Absorption des Schwefelwasserstoffes (9) und unter Bildung von elementarem Schwefel (15) mit einem einen Katalysator (13) enthaltenden Waschmedium (7) kontaktiert wird, wobei der Katalysator (13) bei der Bildung des elementaren Schwefels (15) reduziert wird, wobei das mit dem reduzierten Katalysator (17) Waschmedium (21) einer Regenerationsstufe (49) zugeführt wird, in der der reduzierte Katalysator (17) durch Oxidation mit einem der Regenerationsstufe (49) zugeführten sauerstoffhaltigen Gas (53) zurückgebildet wird, wobei das sauerstoffhaltige Gas (53) der Regenerationsstufe (49) ausgehend von einer Kompressionsstufe (59) der Gasturbine (31) zugeführt wird, und wobei das bei der Regeneration des Katalysators (17) an Sauerstoff verarmte Gas (73) zumindest einer der Kompressionsstufe (59) strömungstechnisch nachgeschalteten Turbinenstufe (77) zugeführt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Entschwefelung eines Schwefelwasserstoff (9) enthaltenden Gasstroms (3).

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Entschwefelung eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstroms
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entschwefelung eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstroms, insbesondere eines zur Verbrennung in einer Gasturbine nutzbaren Gasstroms. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Entschwe- feiung eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstroms.
Erdgas ist ein fossiler Brennstoff mit einem vergleichsweise niedrigen Ausstoß von Kohlendioxid (C02) und vergleichsweise geringen Emissionen sonstiger Abfallprodukte bei der Verbren- nung . Sein Beitrag als eine der wichtigsten Energieressourcen der Welt steigt weiter an. Vor dem Hintergrund der Rohstoff- Verknappung, des dauerhaft steigenden Energiebedarfs und steigender Preise von hochwertigen fossilen Brennstoffen gewinnt die Verwertung von nicht spezifikationsgerechten Brenn- Stoffen zunehmend an Bedeutung. So besteht ein grösser werdendes Interesse beispielsweise daran, auch saure Gase direkt zu verströmen. Hierbei besteht im Bereich der Gasexploration (saure Erdgase) bzw. im Bereich der Gasaufbereitung häufig auch ein Bedarf an elektrischer Energie vor allem zur Abde- ckung des Eigenbedarfs von Maschinen wie beispielsweise Verdichtern oder darüber hinaus .
Den effizientesten Weg zur Energieerzeugung stellt der Einsatz von Gasturbinen dar. Entsprechend werden weltweit Gas- turbinen - alleine oder in Kombination mit Abhitzedampferzeugern, Wasser-Dampf-Kreislaufen und Dampfturbinen (GUD- Kraftwerke) - zur Bereitstellung mechanischer und elektrischer Energie verwendet. Allerdings ist die direkte Nutzung von Roh-Erdgas aufgrund von in diesem enthaltener saurer Be- standteile, wie insbesondere Schwefelwasserstoff (H2S) , bisweilen nur bedingt möglich. Der störungsfreie und energieeffiziente Betrieb von Gasturbinen erfordert eine Begrenzung des Schwefelgehaltes im Brenngas, einerseits zur Vermeidung bzw. zumindest zur Verringerung von Hochtemperaturkorrosion, andererseits, um den weltweit verschärften Emissionsgrenzwerten im Hinblick auf Schwefeloxide (S0X) gerecht zu werden. Daher müssen Schwefelwasserstoffhaltige Brenngase, und insbe- sondere saure Erdgase, entsprechend aufbereitet werden.
Für die Erdgasaufbereitung stehen weit entwickelte und erprobte Verfahren zur Verfügung. Ziel dieser Verfahren ist es Erdgas in einer Qualität zu produzieren, die den weltweiten Spezifikationen für eine Einspeisung in Gas-Pipeline-Netze entspricht. Das bedeutet, dass neben Schwefelwasserstoff auch andere unerwünschte Begleitkomponenten wie beispielsweise C02, N2 und eventuell auch längerkettige Kohlenwasserstoffe aus dem Erdgas entfernt werden müssen, um den spezifizierten Brennwert und einen problemfreien Transport in einer Pipeline zu ermöglichen.
In den entsprechenden Gasaufbereitungsanlagen werden H2S und C02 in der Regel mittels Absorptions-Desorptions-Verfahren aus dem Erdgas ausgewaschen. Aufgrund der Toxizität wird das abgetrennte H2S dort häufig mit dem sogenannten Claus- Verfahren in elementaren Schwefel umgewandelt. Um Inertgas wie N2 und auch Kohlenwasserstoffe abzutrennen, werden zusätzliche Prozessschritte wie beispielsweise Tieftemperatur- kondensations-Verfahren notwendig. Da diese Prozessschritte mit einem hohen apparativen Aufwand verbunden und entsprechend komplex sind, können die jeweiligen Anlagen nur dann wirtschaftlich betrieben werden, wenn sie in der Lage sind, sehr große Mengen an Erdgas zu verarbeiten.
Daher erfolgen die Erdgasaufbereitung und die Stromerzeugung mittels Gasturbinen in der Regel getrennt voneinander. Die Gasaufarbeitung wird hierbei gängigerweise zentral durchgeführt, wozu das aufzubereitende Rohgas aus unterschiedlichen Quellen zur Aufbereitungsanlage transportiert, gereinigt und dann wieder verteilt wird. Diese Prozessführung ist aus wirtschaftlicher Sicht jedoch aufwändig und kostenintensiv. Um mit Hilfe von Erdgas Strom zu erzeugen, ist jedoch häufig nur ein Teil der zuvor beschriebenen Prozessschritte notwendig. Solange der Brennwert des zu verströmenden Rohgases ausreichend hoch ist, stellen weder C02 noch Inertgase ein Prob- lern bei der Verbrennung dar. Lediglich die Abtrennung von H2S ist wie bereits dargelegt in jedem Fall unverzichtbar. Hierzu kommen dann aufgrund der geringeren Kapazitätsanforderungen auch Alternativverfahren in Frage, die weniger komplex und apparativ weniger anspruchsvoll sind. Dadurch wird eine Di- rektverstromung von Sauergas besonders attraktiv.
Zur Abtrennung von H2S aus einem Brenngas bieten sich insbesondere sogenannte Liquid-Redox Verfahren an. Diesen Liquid- Redox-Verfahren liegt das Konzept der Reaktiv-Absorption, in diesem Falle eine Kombination von Absorption und Oxidation, zugrunde. Zur Abtrennung des Schwefelwasserstoffes aus dem jeweiligen Gas wird dieses mit einem Waschmedium in Kontakt gebracht und der im Gas enthaltene Schwefelwasserstoff chemisch oder physikalisch an einer aktiven Substanz des Wasch- mediums gebunden. Das von Schwefelwasserstoff gereinigte
Brenngas kann dann direkt in einer Gasturbine verbrannt bzw. verströmt werden.
Die Aufbereitung des den Schwefelwasserstoff enthaltenden Waschmediums erfolgt anschließend durch einen Katalysator
(auch als katalytisch aktive Komponenten oder Redoxmittel bezeichnet) , welches im Waschmedium enthaltenen Schwefelwasserstoff in elementaren Schwefel umwandelt und den Schwefelwasserstoff so aus dem Waschmedium entfernt. Der Katalysator selbst wird bei der Oxidation des Schwefelwasserstoffes reduziert (H2S-Konvertierung) . Um die Aktivität des Katalysators aufrechtzuerhalten und das Waschmedium in einem Kreislauf wiederverwenden zu können, ist es notwendig, den Katalysator oxidativ wieder zurückzubilden . In der Regel geschieht dies durch Absorption von Sauerstoff aus der Umgebungsluft. Hierzu wird das zu regenerierende, den reduzierten Katalysator enthaltende Waschmedium in einem der H2S-Abtrennung nachgeschalteten Prozessschritt in einer entsprechenden Regenerations- stufe (beispielsweise eine Blasensäule als Kontaktapparat) intensiv mit Luft in Kontakt gebracht. Durch den Kontakt mit dem sauerstoffhaltigen Gas werden der Katalysator (und damit auch das Waschmedium) oxidativ regeneriert.
Die Zufuhr des zur Katalysatorregeneration benötigten sauerstoffhaltigen Gases erfolgt üblicherweise über extra hierfür eingerichtete Gebläse oder durch die Begasung mit extern zugeführter, vorab komprimierter sauerstoffhaltiger Luft. Die für das Einblasen der Luft notwendige Energie stellt hierbei einen wesentlichen Beitrag der im Rahmen der Liquid-Redox- Verfahren anfallenden Betriebskosten dar. Daher sind diese Verfahren in der Regel so ausgelegt, dass die benötigten Gebläse eine möglichst kleine Druckdifferenz überwinden müssen. Somit wird die Katalysatorregeneration aus wirtschaftlichen Gründen in der Regel nicht bei Drücken oberhalb von 1 oder 2 bar absolut durchgeführt. Das bedingt wiederum, dass die Behältervolumen zur Katalysatorregeneration vergleichsweise groß sind, bzw. nicht verkleinert werden können, was die An- wendung von Liquid-Redox-Verfahren beispielsweise für Offsho- re Anwendungen unattraktiv macht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, die eine effiziente und kostengünstige Ver- Strömung von Gasen und insbesondere Erdgasen erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Be- Schreibung dargelegt.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Entschwefelung eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstroms und insbesondere eines zur Verbrennung in einer Gasturbine nutz- baren Gasstroms der Gasstrom zur Absorption des Schwefelwasserstoffes und unter Bildung von elementarem Schwefel mit einem einen Katalysator enthaltenden Waschmedium kontaktiert, wobei der Katalysator bei der Bildung des elementaren Schwe- fels reduziert wird. Das mit dem reduzierten Katalysator Waschmedium wird einer Regenerationsstufe zugeführt, in welcher der reduzierte Katalysator durch Oxidation mit einem der Regenerationsstufe zugeführten sauerstoffhaltigen Gas zurück- gebildet wird, wobei das sauerstoffhaltige Gas der Regenerationsstufe ausgehend von einer Kompressionsstufe einer Gasturbine zugeführt wird. Erfindungsgemäß wird das bei der Regeneration des Katalysators an Sauerstoff verarmte Gas zumindest einer der Kompressionsstufe der Gasturbine strömungs- technisch nachgeschalteten Turbinenstufe zugeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht durch die gezielte Integration von Gasaufbereitung und Gasturbinenprozess eine wirtschaftliche Katalysatorregeneration auch unter hohem Druck. Hierzu wird ein geringer Teilstrom der verdichteten Verbrennungsluft einer geeigneten Kompressionsstufe
(Verdichterstufe) der Gasturbine entnommen und dann durch die Regenerationsstufe (Kontaktapparat) für die Katalysatorregeneration geleitet. Nach der Regeneration des Katalysators wird das an Sauerstoff verarmte Gas, also die Abluft, der wieder Gasturbine zugeführt. Die Zufuhr erfolgt hierbei gezielt zu einer der Kompressionsstufe bzw. der Druckstufe der Gasturbine, die dem Druck des AbluftStroms entspricht. Mit anderen Worten wird die Abluft aus der Regenerationsstufe in eine in Strömungsrichtung der die Gasturbine durchströmenden Verbrennungsluft nachgeschaltete Turbinenstufe eingespeist. Der wesentliche Vorteil dieser Verschaltungsvariante liegt darin, dass hier die notwendigen Anpassungen beim Tur- binen-Design minimal sind. Insbesondere werden auch die hochoptimierten Strömungsverhältnisse in der jeweiligen Kompressionsstufe der Gasturbine nicht beeinflusst.
Unter einer geeigneten Kompressionsstufe, also einer
Verdichterstufe wird im Rahmen der Erfindung insbesondere eine solche Kompressionsstufe verstanden, die eine Entnahme des sauerstoffhaltigen Gases auf einem Druckniveau erlaubt, welches eine direkte Nutzung des Gases in der Regenerationsstufe erlaubt. Insbesondere eine Entspannung des sauerstoffhaltigen Gases vor dem Eintritt in die Regenerationsstufe ist verzichtbar . Weiter arbeiten die Kompressionsstufen einer Gasturbine mit hoher energetischer Effizienz. Da die ausgekoppelte Luft der Gasturbine heiß, also auf einem hohen Temperaturniveau entnommen, abgekühlt und auf diesem geringeren Temperaturniveau in die Gasturbine zurückgespeist wird, ergibt sich ein Wir- kungsgradvorteil für die Gasturbine.
Die Abluft, also das bei der Regeneration des Katalysators an Sauerstoff verarmte Gas, die die Regenerationsstufe wieder verlässt, hat bei Austritt immer noch ein hohes Druckniveau und lässt sich so einer der Kompressionsstufe strömungstechnisch nachgeschalteten Turbinenstufe zuführen. Sowohl die Luftentnahme (sauerstoffhaltiges Gas) als auch die Rückspei- sung (an Sauerstoff verarmtes Gas bzw. Abluft der Regenerationsstufe) erfordert keine wesentlichen baulichen Änderungen oder gar ein Neudesign der Gasturbine.
Eine bevorzugte Ausführung sieht vor, dass das sauerstoffhaltige Gas der Regenerationsstufe ausgehend von dem Kühlluftsystem der Gasturbine zugeführt wird. Besonders vorteilhaft ist hierbei eine Entnahme des sauerstoffhaltigen Gases aus der höchstmöglichen Druckstufe des Kühlluftsystems.
Zusätzlich wird aufgrund des deutlich erhöhten Druckniveaus, bei welchem die Katalysatorregeneration (und damit auch die Regeneration des eingesetzten Waschmediums) erfolgen, eine
Reduktion der Baugröße der eingesetzten Vorrichtungskomponenten erreicht. Es erfolgt eine Reduzierung des notwendigen Luftvolumenstroms durch Kompression und eine Reduzierung des Massenstroms aufgrund des erhöhten Sauerstoffpartialdrucks . Hierdurch verbessert sich der StoffÜbergang des Sauerstoffs in das Waschmedium erheblich. Besonders bevorzugt wird an Sauerstoff verarmtes Gas der Brennkammer der Gasturbine zugeführt. Die Zufuhr des der Gasturbine entnommenen Gases, also der Abluft, die auch bei Austritt aus der Regenerationsstufe noch unter hohem Druck steht, erfolgt somit vorzugsweise direkt in den Verbrennungsprozess der Gasturbine innerhalb der Brennkammer. Die Brennkammer ist der Kompressionsstufe, welcher das zur Regeneration des Katalysators genutzte Gas entnommen wurde, in Strömungsrichtung der die Gasturbine durchströmenden Verbren- nungsluft zweckmäßigerweise strömungstechnisch nachgeschaltet .
Dabei kann es notwendig sein, dass der sauerstoffarme
Gasstrom verdichtete werden muss, um in die Brennkammer ein- gespeist werden zu können. Bei dieser Verfahrensvariante muss im Vergleich zu einer Regeneration bei Atmosphärendruck ein wesentlich kleinerer Luft-Volumenstrom verdichtet werden, als wenn die zur Regeneration notwendige Druckerhöhung durch einen separaten Verdichter erreicht werden müsste. Diese Ausge- staltung stellt auch aus baulicher Sicht eine besonders bevorzugte Nutzung der Abluft dar, da hierzu lediglich ein zusätzlicher Stutzen erforderlich ist. Zusätzlich können Emissionen gemindert werden, da die möglicherweise verunreinigte Abluft aus der Regenerationsstufe den Verbrennungsprozess der Gasturbine durchläuft, anstatt beispielsweise einfach ausgeblasen zu werden.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung wird an Sauerstoff verarmtes Gas zur Kühlung der Turbinenschaufeln der Gasturbi - ne genutzt. Eine solche Zufuhr erlaubt den Verzicht auf einen separaten Luftverdichter, da hier die Einspeisung in eine entsprechend niedrigere Druckstufe bzw. Kompressionsstufe erfolgen kann. Die Zufuhr von an Sauerstoff verarmtem Gas zur Brennkammer und dessen Nutzung zur Kühlung der Turbinenschau- fein der Gasturbine sind erfindungsgemäß sowohl getrennt als auch gemeinsam möglich. Mit anderen Worten ist es möglich einen Teilstrom des an Sauerstoff verarmten Gases (Abluft) nur der Brennkammer oder nur dem Turbinenschaufelkühlsystem zuzu- führen oder zwei Abluft- Teilströme zu entnehmen und einen ersten Teilstrom der Brennkammer und einen zweiten Teilstrom dem Turbinenschaufelkühlsystem zuzuführen. Die Zufuhr der Abluft zu alternativen oder zusätzlichen Turbinenstufen ist ge- maß der Erfindung bedarfsweise ebenfalls möglich.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird das der Kompressionsstufe entnommene sauerstoffhaltige Gas vor dem Eintritt in die Regenerationsstufe gekühlt. Die bei der Kühlung des sau- erstoffhaltigen Gases freiwerdende Wärme wird zweckmäßigerweise weiter genutzt. Besonders bevorzugt wird die bei der Kühlung des sauerstoffhaltigen Gases freiwerdende Wärme einer Aufbereitungsvorrichtung zur Aufbereitung des eingesetzten Waschmediums zugeführt. Alternativ oder zusätzlich sieht die Erfindung vor, die freiwerdende Wärme in den Entschwefelungs- prozess des Gasstromes einzuspeisen.
Das der Kompressionsstufe entnommene, gekühlte sauerstoffhaltige Gas wird dann innerhalb der Regenerationsstufe mit dem den reduzierten Katalysator enthaltenden Waschmedium kontaktiert. Hierbei tritt der im Gas enthaltene Sauerstoff von der Gasphase in das Waschmedium über. Das sauerstoffhaltige Gas verarmt hierbei an Sauerstoff. In der Flüssigphase erfolgt die Oxidation des zuvor bei der Schwefelbildung reduzierten Katalysators, der Katalysator wird regeneriert bzw. zurückgewonnen. Das den regenerierten Katalysator enthaltende Waschmedium steht dann erneut zur Abtrennung von Schwefelwasserstoff und zu dessen anschließender Oxidation zur Verfügung. Das Waschmedium - enthaltend den reduzierten Katalysator und elementaren Schwefel - wird vor der Zufuhr zur Regenerationsstufe vorzugsweise entspannt. Klassischerweise wird hierzu als Entspannungsstufe ein sogenannter Flash-Behälter eingesetzt, in welchem das Waschmedium entgast wird. Bei der Ent- Spannung wird insbesondere im Waschmedium gelöstes Methan
(CH4) entfernt. Der resultierende Gasstrom wird vorzugsweise mit dem gereinigten Gas vereinigt und so der Brennkammer zugeführt. Das nach der Entspannung im Wesentlichen Methan- freie Waschmedium wird dann insbesondere der Regenerations- stufe zugeführt.
Zusätzlich zur Entgasung des Waschmediums vor dessen Eintritt in die Regenerationsstufe ist die Abtrennung des im Waschmedium enthaltenen elementaren Schwefels erwünscht. Hierzu wird vorzugsweise zumindest ein Teilstrom des Waschmediums, welches neben dem reduzierten Katalysator eben den ausgefällten elementaren Schwefel enthält, abgetrennt. Abhängig von der baulichen Beschaffenheit der zur Durchführung des Verfahrens eingesetzten Vorrichtungskomponenten ist die Abtrennung des ausgefällten Schwefels an verschiedenen Stellen möglich. Bevorzugt ist eine Abtrennung des elementaren Schwefels vor dem Eintritt des Waschmediums in die Regenerationsstufe. Der Teilstrom kann hierbei beispielsweise entweder vor der Entspannung des Waschmediums im Flash-Behälter oder auch danach erfolgen. Bei der Abtrennung wird vorzugsweise so viel Schwefel entfernt, dass die Konzentration des ausgefällten Schwefels im Waschmedium nach der Abtrennung bei etwa 5 % liegt.
Der in dem Teilstrom enthaltene Schwefel wird zweckmäßigerweise aus diesem abgetrennt. Die Abtrennung erfolgt bevorzugt mittels gängiger Abtrenneinheiten, wie beispielsweise mittels eines Zyklons. Der Schwefel selbst wird zweckmäßigerweise ei- ner weiteren Verwertung zugeführt. Der von Schwefel gereinigte Teilstrom des Waschmediums wird vorzugsweise der regenera- tionsstufe zugeführt, um den nach wie vor im Waschmedium enthaltenen reduzierten Katalysator zu regenerieren. Bevorzugt wird als Waschmedium eine Aminosäuresalzlösung eingesetzt. Eine wässrige Aminosäuresalzlösung ist hierbei zweckmäßig. Auch ist der Einsatz von Mischungen verschiedener Aminosäuresalze als Waschmedium möglich. Als Katalysator wird vorzugsweise ein Metallsalz eingesetzt. Prinzipiell eignen sich hierbei solche Metallsalze, deren Metallionen in mehreren Oxidationsstufen vorliegen können. Vorzugsweise werden die Salze der Metalle Eisen, Mangan oder Kupfer eingesetzt. Diese Metallsalze sind kostengünstig zu erwerben und weisen die gewünschten katalytischen Eigenschaften auf. Insbesondere sind Metall -Chelat-Komplexe von Vorteil, die eine ausreichend hohe Löslichkeit in der wässrigen Formulierung aufweisen. Hierzu ist dem Waschmedium zweckmäßigerweise ein Komplexbildner wie EDTA (Ethylendiamintetra- acetat) , HEDTA (Hydroxyethyl-Ethylendiamintetraacetat) , DTPA (Diethylentriaminpentaacetat) und/oder NTA (Nitriltriacetat) zugesetzt .
Die erfindungsgemäß Vorrichtung zur Entschwefelung eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstroms, insbesondere eines zur Verbrennung in einer Gasturbine nutzbaren Brenngas- Stroms umfasst einen Absorber zur Absorption von Schwefelwas- serstoff aus dem Gasstrom unter Bildung von elementarem
Schwefel mittels eines einen Katalysator enthaltenden Waschmediums, sowie eine mit dem Absorber strömungstechnisch gekoppelte Regenerationsstufe zur Regeneration des bei der Schwefelbildung reduzierten Katalysators mittels eines sauer- stoffhaltigen Gases, wobei die Regenerationsstufe zur Zufuhr des sauerstoffhaltigen Gases strömungstechnisch mit einer Kompressionsstufe einer Gasturbine gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist die Regenerationsstufe zur Abfuhr des an Sauerstoff verarmten Gases strömungstechnisch mit zumindest einer Komp- ressionsstufe der strömungstechnisch nachgeschalteten Turbinenstufe der Gasturbine gekoppelt.
Innerhalb des Absorbers wird der im Gasstrom enthaltene
Schwefelwasserstoff durch Absorption in dem Waschmedium aus einem Gasstrom entfernt. Als Waschmedium ist hierbei vorzugsweise eine Aminosäuresalzlösung eingesetzt. Der absorbierte Schwefelwasserstoff reagiert innerhalb des Absorbers mittels eines im Waschmedium enthaltenen Katalysators zu elementarem Schwefel und wird hierbei selbst reduziert. Als Katalysator ist bevorzugt ein Metallsalz eingesetzt, welches in dem
Waschmedium enthalten ist. Besonders bevorzugt ist der Einsatz von Metall -Chelat- Komplexen als Katalysator. Zur Regeneration des Katalysators wird das Waschmedium der dem Absorber in Strömungsrichtung des Waschmediums strömungs- technisch nachgeschalteten Regenerationsstufe zugeführt.
Hierzu umfasst der Absorber zweckmäßigerweise eine Abführlei - tung, die strömungstechnisch mit einer Zuführleitung der Regenerationsstufe gekoppelt ist.
Zur Regeneration des Katalysators in der Regenerationsstufe ist der Regenerationsstufe zweckmäßigerweise eine weitere Zu- führleitung angeschlossen, die mit der Abführleitung einer
Kompressionsstufe der Gasturbine strömungstechnisch gekoppelt ist. Über diese strömungstechnische Kopplung wird ausgehend von der Kompressionsstufe Sauerstoffreiches Gas der Regenerationsstufe zugeführt. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Kopplung der Regenerationsstufe mit der höchstmöglichen
Druckstufe bzw. der höchstmöglichen Kompressionsstufe des Kompressors der Gasturbine. Zweckmäßigerweise ist die Zuführleitung der Regenerationsstufe hierzu strömungstechnisch mit der Abführleitung der Kompressionsstufe des Kompressors der Gasturbine gekoppelt.
Bei Gas-Turbinen, die über ein sogenanntes „De-Icing-System" verfügen, ist es insbesondere von Vorteil, wenn bei sehr tiefen Außentemperaturen heiße Luft einer Kompressionsstufe der Gasturbine entnommen wird, um so unerwünschte Eisbildung zu verhindern .
Nach der Regeneration des Katalysators wird das im Rahmen der Reaktion an Sauerstoff verarmte Gas wieder der Gasturbine zu- geführt. Vorzugsweise wird das an Sauerstoff verarmte Gas direkt in den Verbrennungsprozess der Gasturbine eingespeist. Hierzu ist die Regenerationsstufe zweckmäßigerweise mit einer der Kompressionsstufe strömungstechnisch nachgeschalteten Brennkammer der Gasturbine gekoppelt. Die Brennkammer ist der Kompressionsstufe in Strömungsrichtung der die Gasturbine durchströmenden Verbrennungsluft strömungstechnisch nachgeschaltet. Zur Zufuhr des sauerstoffarmen Gases zur Brennkammer umfasst die Regenerationsstufe zweckmäßigerweise eine Ab- führleitung, die strömungstechnisch mit einer Zuführleitung der Brennkammer der Gasturbine gekoppelt ist.
Alternativ oder zusätzlich ist die Regenerationsstufe mit ei- nem der Kompressionsstufe strömungstechnisch nachgeschalteten Kühlsystem zur Kühlung der Turbinenschaufeln gekoppelt. Hierzu umfasst die Regenerationsstufe zweckmäßigerweise eine Abführleitung, die strömungstechnisch mit einer Zuführleitung des Kühlsystems gekoppelt ist.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist eine Entspannungsstufe, eine sogenannte Flash-Stufe strömungstechnisch zwischen den Absorber und die Regenerationsstufe geschaltet. In der Entspannungsstufe wird das aus dem Absorber ausströ- mende Waschmedium, welches den ausgefällten Schwefel und den reduzierten Katalysator enthält, entspannt. Bei der Entspannung wird Methan desorbiert und so dessen unerwünschte Verschleppung in die Regenerationsstufe verhindert. Eine Anreicherung im Waschmedium wir nur zu einem gewissen Grad statt- finden, da das Waschmedium bei der Regeneration durch das
Strippen mit Luft kontinuierlich von Methan befreit wird. Die Entspannungsstufe ist hierzu zweckmäßigerweise in die Abführleitung des Absorbers geschaltet und so dem Absorber in Strömungsrichtung des Waschmediums strömungstechnisch nachge- schaltet.
Nach der Entspannung wird das im Wesentlichen Methan- freie Waschmedium über eine der Entspannungsstufe angeschlossene Abführleitung abgezogen und der Regenerationsstufe zugeführt.
Zur Abtrennung von Schwefel aus dem Waschmedium ist vorzugsweise eine Entnahmeleitung zur Entnahme eines Teilstroms des Waschmediums umfasst. Die Entnahmeleitung kann grundsätzlich an unterschiedlichen Positionen der Vorrichtung angeschlossen sein, wobei eine Entnahme aus der als Flash-Behälter ausgebildeten Entspannungsstufe bevorzugt ist. Entsprechend ist die Entnahmeleitung zweckmäßigerweise der Entspannungsstufe angeschlossen. Auf diese Weise kann ein Teil des bei der Oxi- dation des Schwefelwasserstoffes ausgefällten elementaren Schwefels aus dem Waschmedium abgetrennt werden. Die bevorzugte Konzentration des im Waschmedium verbleibenden ausgefällten Schwefels nach der Abtrennung liegt bei etwa 5 %.
Die Abtrennung des Schwefels aus dem Waschmedium erfolgt vorzugsweise in einer in Strömungsrichtung des entnommen Teil- stroms der Entnahmeleitung strömungstechnisch angeschlossenen Abtrenneinheit .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen für die Vorrichtung ergeben sich aus den auf das Verfahren gerichteten Unteransprüchen. Dabei können die für das Verfahren und dessen Weiterbildungen benannten Vorteile sinngemäß auf die Vorrichtung übertragen werden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert . In FIG 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Entschwefelung eines Gasstroms 3 und insbesondere zur Entschwefelung eines Brenngasstroms für eine Gasturbine gezeigt. Der Gasstrom 3 wird einem Absorber 5 über eine diesem angeschlossene Zuführleitung 6 zugeführt und innerhalb des Absorbers 5 mit einer wässrigen Aminosäuresalzlösung als Waschmedium 7 in Kontakt gebracht. Innerhalb des Absorbers 5 wird im Gasstrom 3 enthaltener Schwefelwasserstoff 9 in dem Waschmedium 7 absorbiert. Das von Schwefelwasserstoff 9 gereinigte Gas wird dem Absorber 5 über eine Abführleitung 11 entnommen und der Verbrennung in einem Gasturbinenprozess zugeführt.
Der im Waschmedium 7 absorbierte Schwefelwasserstoff 9 wird durch einen im Waschmedium 7 enthaltenen Katalysator 13, vorliegend komplexierte Fe ( III )- Ionen, zu elementarem Schwefel 15 oxidiert . Der Katalysator 13 wird bei der Oxidation des
Schwefelwasserstoffes 9 zu Fe (II) -Ionen reduziert. Der Schwefel 15 fällt als Feststoff aus, die durch die Reduktion ge- bildeten Fe (II) -Ionen bleiben in Lösung und werden durch EDTA als dem Waschmedium 7 zugesetztem Komplexbildner maskiert.
Das den reduzierten Katalysator 17 und den elementaren Schwe- fei 15 enthaltende Waschmedium 21 wird anschließend einer dem Absorber 7 strömungstechnisch nachgeschalteten Entspannungsstufe (Flash-Stufe) 23 zugeführt. Die Zufuhr erfolgt über eine strömungstechnische Kopplung einer dem Absorber 5 angeschlossenen Abführleitung 25 mit einer Zuführleitung 27 der Entspannungsstufe 23.
Innerhalb der Entspannungsstufe 23 wird das Waschmedium 21 entspannt und in diesem enthaltenes Methan desorbiert . Das desorbierte Methan wird über eine der Entspannungsstufe 23 angeschlossene Abzugsleitung 29 einer Gasturbine 31 zugeführt. Hierzu ist die Abzugsleitung 29 mit einer Zuführleitung 33 der Gasturbine 31 gekoppelt.
Zusätzlich wird ein Teilstrom 35 des Waschmediums 21 über ei- ne der Entspannungsstufe 23 angeschlossene Entnahmeleitung 37 entnommen. Hierdurch wird die Konzentration an ausgefälltem Schwefel 15 im Waschmedium 21 auf eine Konzentration von etwa 5 % gesenkt. Der aus dem Waschmedium 21 abgezogene Teilstrom 35 wird einer als Filter ausgebildeten Abtrenneinheit 39 zugeführt, in welcher der Schwefel 15 vom Waschmedium 21 abgetrennt wird. Der Schwefel 15 selbst wird einer weiteren Verwertung zugeführt. Das von Schwefel 15 gereinigte Waschmedium 21 wird zurückge- führt. Hierzu ist eine Rückführleitung 41 der Abtrenneinheit 39 strömungstechnisch mit einer Abführleitung 43 der Entspannungsstufe 23 gekoppelt. Über diese Kopplung wird das von Schwefel befreite Waschmedium 21 mit dem Hauptstrom 45 des Waschmediums 21 vereinigt.
Das entgaste, von Schwefel 15 gereinigte Waschmedium 21 wird dann über eine mit der Abführleitung 43 der Entspannungsstufe 21 gekoppelte Zuführleitung 47 der Regenerationsstufe 49 an deren Kopf 51 zugeführt. Innerhalb der Regenerationsstufe 49 wird das Waschmedium 21 mit einem sauerstoffhaltigen Gas 53 kontaktiert, welches über eine der Regenerationsstufe 49 an deren Boden 55 angeschlossene Zuführleitung 57 in die Regene- rationsstufe 49 einströmt.
Das sauerstoffhaltige Gas 53 ist hierbei einer Kompressionsstufe 59, also einem Verdichter der Gasturbine 31 entnommen. Die Zufuhr des sauerstoffhaltigen Gases 53 erfolgt über die strömungstechnische Kopplung einer Abführleitung 61 der Kompressionsstufe 59, vorliegend des Kühlluftsystems 60 der Gasturbine 31 mit der Zuführleitung 57 der Regenerationsstufe 49. Über diese strömungstechnische Kopplung kann aus der Kompressionsstufe 59 entnommenes sauerstoffhaltigen Gas 53 in die Regenerationsstufe 49 strömen und dort zur Regeneration des im Waschmedium 21 enthaltenen reduzierten Katalysators 17 genutzt werden. Gleichzeitig wird das Waschmedium 21 regeneriert . Das sauerstoffhaltige Gas 53, also die der Gasturbine 31 entnommenen Luft, strömt in einer der Strömungsrichtung 63 des Waschmediums 21 entgegengesetzten Strömungsrichtung 65 in die Regenerationsstufe 49 ein. In der Zuführleitung 57 der Regenerationsstufe 49 ist ein Wärmetauscher 67 angeordnet, der das Gas 53 vor dem Eintritt in die Regenerationsstufe 49 kühlt. Die hierbei abgeführte Wärme kann an geeigneter Stelle in den Prozess eingespeist werden.
Die Rückbildung des Katalysators 13 erfolgt durch den Kontakt des Waschmediums 7 mit dem sauerstoffhaltigen Gas 53. Hierbei tritt der im Gas 53 enthaltene Sauerstoff von der Gasphase in die Flüssigphase über. In Folge dessen werden die zuvor bei der Schwefelbildung reduzierten Fe (II) -Ionen zu Fe ( III )- Ionen oxidiert und damit der Katalysator 13 zurückgewonnen. Im Rah- men der Regenerierung wird auch das Waschmedium 7 zurückgewonnen, welches nun - den ursprünglichen Katalysator 13 enthaltend - erneut zur Abtrennung von Schwefelwasserstoff 9 aus einem Gasstrom 3 zur Verfügung. Hierzu wird das regenerierte Waschmedium 7 über eine am Boden 55 der Regenerationsstufe 49 angeschlossene Abführleitung 69 entnommen und über eine strömungstechnische Kopplung der Abführleitung 69 mit einer Zuführleitung 71 des Absorbers 5 diesem zugeführt.
Das bei der Regeneration des Katalysators 13 innerhalb der Regenerationsstufe 49 entstehende an Sauerstoff verarmte Gas 73, also die Abluft wird nun in den Gasturbinenprozess zurückgeführt .
Hierzu wird das an Sauerstoff verarmte Gas 73 der Regenerationsstufe 49 über eine dieser angeschlossene Abführleitung 75 entnommen und einer der Kompressionsstufe 59 der Gasturbine 31 strömungstechnisch nachgeschalteten Turbinenstufe 77 zuge- führt. Zur Zufuhr ist Abführleitung 75 der Regenerationsstufe 49 strömungstechnisch mit einer Zuführleitung 79 der Turbinenstufe 77 gekoppelt. Bei der Turbinenstufe 77 handelt es sich vorliegend um die Brennkammer 81 der Gasturbine 31, so dass das sauerstoffarme Gas 73 direkt in den Verbrennungspro- zess der Gasturbine 31 eingeströmt wird. Alternativ oder zusätzlich kann das sauerstoffarme Gas 73 zur Kühlung der Turbinenschaufeln der Gasturbine 31 genutzt werden.
Eine vorbeschriebene Verfahrensführung erlaubt eine wirt- schaftliche Katalysatorregeneration auch unter hohem Druck. Die hochoptimierten Strömungsverhältnisse in der jeweiligen Kompressionsstufe 59 der Gasturbine 31 werden hierbei nicht beeinflusst. Im Vergleich zu einer Regeneration des Katalysators 17 bei Atmosphärendruck muss bei der Einspeisung von Luft aus dem Kompressionsstufe 59 einer Gasturbine 31 ein wesentlich kleinerer Luft-Volumenstrom verdichtet werden, um die zur Regeneration notwendige Druckerhöhung zu erreichen.
Die Abluft, also das bei der Regeneration des Katalysators 17 an Sauerstoff verarmte Gas 73, die die Regenerationsstufe 49 wieder verlässt, hat bei Austritt immer noch ein hohes Druckniveau und lässt sich so einer der Kompressionsstufe 59 strömungstechnisch nachgeschalteten Turbinenstufe 77 zuführen. Sowohl die Luftentnahme als auch die Rückspeisung erfordert keine oder nur geringfügige bauliche Änderungen der Gasturbi ne 31.
Zusätzlich werden durch die Verbrennung des sauerstoffarmen Gases 73, also der aus der Regenerationsstufe 49 abgeführten Abluft, unerwünschte Emissionen verringert.
Die Erfindung wird anhand des vorstehend beschriebenen Aus- führungsbeispiels besonders deutlich, ist gleichwohl aber nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Entschwefelung eines Schwefelwasserstoff (9) enthaltenden Gasstroms (3) , insbesondere eines zur Ver- brennung in einer Gasturbine (31) nutzbaren Brenngasstroms (3) , wobei der Gasstrom (3) zur Absorption des Schwefelwasserstoffes (9) und unter Bildung von elementarem Schwefel (15) mit einem einen Katalysator (13) enthaltenden Waschmedium (7) kontaktiert wird, wobei der Katalysator (13) bei der Bildung des elementaren Schwefels (15) reduziert wird, wobei das den reduzierten Katalysator (17) enthaltende Waschmedium (21) einer Regenerationsstufe (49) zugeführt wird, in der der reduzierte Katalysator (17) durch Oxidation mit einem der Regenerationsstufe (49) zugeführten sauerstoffhaltigen Gas (53) zurückgebildet wird, wobei das sauerstoffhaltige Gas (53) der Regenerationsstufe (49) ausgehend von einer Kompressionsstufe (59) der Gasturbine (31) zugeführt wird, und wobei das bei der Regeneration des Katalysators (17) an Sauerstoff verarmte Gas (73) zumindest einer der Kompressionsstufe (59) strö- mungstechnisch nachgeschalteten Turbinenstufe (77) der Gasturbine (31) zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das sauerstoffhaltige Gas (53) der Regenerationsstufe (49) ausgehend von dem Kühl- luftsystem (60) der Gasturbine (31) zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei an Sauerstoff verarmtes Gas (73) der Brennkammer (81) der Gasturbine (31) zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an Sauerstoff verarmtes Gas (73) zur Kühlung der Turbinenschaufeln der Gasturbine (31) genutzt wird. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das der Kompressionsstufe (59) entnommene sauerstoffhaltige Gas (53) vor dem Eintritt in die Regenerationsstufe (49) gekühlt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Waschmedium (21) vor der Zufuhr zur Regenerationsstufe
(49) entspannt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teilstrom (35) des Waschmediums (21) abgetrennt wird . 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das regenerierte Waschmedium (7) einem Absorber (5) zugeführt wird .
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Waschmedium (7) eine Aminosäuresalzlösung eingesetzt wird .
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Katalysator (13) ein Metallsalz eingesetzt wird.
11. Vorrichtung (1) zur Entschwefelung eines Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstroms (3) , insbesondere eines zur Verbrennung in einer Gasturbine (31) nutzbaren Brenngasstroms (3) , umfassend einen Absorber (5) zur Absorption von Schwe- felwasserstoff (9) aus dem Gasstrom (3) unter Bildung von elementarem Schwefel (15) mittels eines einen Katalysator (13) enthaltenden Waschmediums (7), sowie eine mit dem Absorber (5) strömungstechnisch gekoppelte Regenerationsstufe (49) zur Regeneration des bei der Schwefelbildung reduzierten Ka- talysators (17) mittels eines sauerstoffhaltigen Gases (53) , wobei die Regenerationsstufe (49) zur Zufuhr des sauerstoffhaltigen Gases (53) strömungstechnisch mit einer Kompressionsstufe (59) einer Gasturbine (31) gekoppelt ist, und wobei die Regenerationsstufe (49) zur Abfuhr des an Sauerstoff ver- armten Gases (73) strömungstechnisch mit zumindest einer der Kompressionsstufe (59) der strömungstechnisch nachgeschalteten Turbinenstufe (77) der Gasturbine (31) gekoppelt ist.
12. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, wobei die Regenerationsstufe (49) zur Zufuhr des sauerstoffhaltigen Gases (53) strömungstechnisch mit dem Kühlluftsystem (60) der Gasturbine (31) gekoppelt ist.
13. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Regenerationsstufe (49) mit einer der Kompressionsstufe (59) strömungstechnisch nachgeschalteten Brennkammer (81) gekoppelt ist.
14. Vorrichtung (l)nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Regenerationsstufe (49) mit einer der Kompressionsstufe (59) strömungstechnisch nachgeschalteten Kühlsystem zur Kühlung der Turbinenschaufeln gekoppelt ist.
15. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei eine Entspannungsstufe (23) strömungstechnisch zwischen den Absorber (5) und die Regenerationsstufe (49) geschaltet ist .
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