NO341852B1 - Process and plant for the combined production of electrical energy and water - Google Patents
Process and plant for the combined production of electrical energy and water Download PDFInfo
- Publication number
- NO341852B1 NO341852B1 NO20100085A NO20100085A NO341852B1 NO 341852 B1 NO341852 B1 NO 341852B1 NO 20100085 A NO20100085 A NO 20100085A NO 20100085 A NO20100085 A NO 20100085A NO 341852 B1 NO341852 B1 NO 341852B1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- exhaust gas
- condenser
- water
- heat exchanger
- compressor
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 54
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 212
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims abstract description 29
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims abstract description 29
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims abstract description 22
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims abstract description 22
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 20
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000012223 aqueous fraction Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 36
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 27
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 23
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 17
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 claims description 13
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 claims description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 8
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims 1
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 83
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 42
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 10
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 10
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 10
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 8
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 8
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 7
- 239000013505 freshwater Substances 0.000 description 7
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 7
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 3
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 229910052756 noble gas Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002835 noble gases Chemical class 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 238000004181 pedogenesis Methods 0.000 description 2
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 2
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 2
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035622 drinking Effects 0.000 description 1
- 239000003651 drinking water Substances 0.000 description 1
- 235000020188 drinking water Nutrition 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JTJMJGYZQZDUJJ-UHFFFAOYSA-N phencyclidine Chemical class C1CCCCN1C1(C=2C=CC=CC=2)CCCCC1 JTJMJGYZQZDUJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical group 0.000 description 1
- 230000009919 sequestration Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 150000003464 sulfur compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte og et anlegg for kombinert produksjon av elektrisk energi og vann, hvor fremgangsmåten omfatter mating av i hovedsaken rent oksygen og et hydrokarbonbrensel ved et støkiometrisk forhold inn i en brenner (5), forbrenning av oksygenet og hydrokarbonet for dannelse aven avgass med en forholdsvis høy temperatur og et forholdsvis høyt trykk, føring av avgassen under den forholdsvis høye temperaturen og det forholdsvis høye trykket til en ekspansjonsinnretning (7) som driver en elektrisk generator (8) og en avgasskompresser (9), føring av avgassen fra ekspansjonsinnretningen og til en avgasskjøler (11) hvor gassen kjøles til en temperatur over dampkondenseringstemperaturen, føring av avgassen fra avgasskjøleren og til avgasskompressoren for trykksetting, og føring av den trykksatte avgassen til en avgasskondensator (14) hvor avgassen kondenseres og derved separeres i en i hovedsaken ren vannfraksjon og en CO2-gassfraksjon.The invention relates to a method and a plant for the combined production of electrical energy and water, where the method comprises feeding essentially pure oxygen and a hydrocarbon fuel at a stoichiometric ratio into a burner (5), burning the oxygen and the hydrocarbon to form the exhaust gas with a relatively high temperature and a relatively high pressure, guiding the exhaust gas under the relatively high temperature and the relatively high pressure to an expansion device (7) which drives an electric generator (8) and an exhaust gas compressor (9), guiding the exhaust gas from the expansion device and to an exhaust gas cooler (11) where the gas is cooled to a temperature above the steam condensation temperature, leading the exhaust gas from the exhaust gas cooler and to the exhaust gas compressor for pressurization, and leading the pressurized exhaust gas to an exhaust gas condenser (14) where the exhaust gas is condensed and thereby separated into an essentially pure water fraction and a CO2 gas fraction.
Description
Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte og et anlegg for kombinert produksjon av elektrisk energi og vann. The invention relates to a method and a plant for the combined production of electrical energy and water.
Bakgrunn Background
For en bærekraftig utvikling er det nødvendig med en tilstrekkelig og pålitelig ferskvannstilførsel. I mange områder av verden er det for tiden en økende bekymring med hensyn til adgang til ferskt vann. Dette gjelder særlig en tilførsel av ferskt vann som egner seg som drikkevann, som er blitt en mangelvare i mange områder. En annen viktig nødvendighet for en bærekraftig utvikling er at man har adgang til ren energi, så som elektrisk kraft. A sufficient and reliable fresh water supply is necessary for sustainable development. In many areas of the world, there is currently a growing concern regarding access to fresh water. This particularly applies to a supply of fresh water that is suitable for drinking, which has become a scarce commodity in many areas. Another important necessity for sustainable development is that you have access to clean energy, such as electricity.
Mange tørre områder i verden har adgang til naturgass eller olje. Støkiometrisk forbrenning av hydrokarboner gir H2O og CO2. Dette gir muligheter for en kombinert løsning med produsering av så vel elektrisk kraft og vann i varmekraftanlegg hvor hydrokarboner forbrennes. Many dry areas in the world have access to natural gas or oil. Stoichiometric combustion of hydrocarbons produces H2O and CO2. This provides opportunities for a combined solution with the production of both electrical power and water in thermal power plants where hydrocarbons are burned.
Dagens bekymringer med hensyn til global oppvarming som følge av utslipp av drivhusgasser, gjør det imidlertid fordelaktig/nødvendig å ta tak i problemet i forbindelse med CO2-utslipp under forbrenning av fossile hydrokarboner. Today's concerns regarding global warming as a result of emissions of greenhouse gases, however, make it beneficial/necessary to address the problem in connection with CO2 emissions during the combustion of fossil hydrocarbons.
Kjent teknikk Known technique
Clean Energy Systems Inc. har foreslått bygging av kraftverk som baserer seg på en forbrenning av rent karbonholdig brensel i nærvær av rent oksygen og vann, slik at det derved kan produseres en høyenergigass under høy temperatur og høyt trykk bestående av bare vann og CO2i en gassgenerator som benevnes som en oxyfuel (oksygenbrensel)-generator. Den termiske og mekaniske energien i denne gassen kan brukes for eksempelvis å produsere elektrisk energi i konvensjonelle dampdrevne flertrinnsturbiner. Etter at den utnyttbare energien i gassen fra oxyfuelgeneratoren er omformet til elektrisk energi, kan den relativt kalde gassblandingen bestående av damp og CO2relativt enkelt separeres ved at det foretas en kjøling helt til dampen er kondensert til flytende vann. Den resulterende gassfasen består av ren CO2som er klar for trykksetting og deponering. Clean Energy Systems Inc. has proposed the construction of a power plant based on the combustion of pure carbonaceous fuel in the presence of pure oxygen and water, so that a high-energy gas can be produced under high temperature and high pressure consisting of only water and CO2 in a gas generator which is referred to as an oxyfuel (oxygen fuel) generator. The thermal and mechanical energy in this gas can be used, for example, to produce electrical energy in conventional steam-driven multi-stage turbines. After the usable energy in the gas from the oxyfuel generator has been transformed into electrical energy, the relatively cold gas mixture consisting of steam and CO2 can be separated relatively easily by cooling until the steam is condensed into liquid water. The resulting gas phase consists of pure CO2 which is ready for pressurization and deposition.
Denne teknologien er beskrevet nærmere og er beskyttet med et antall patenter. Se eksempelvis US 5 724 805, 5 956 937, 6 389 814, 6 598 398 eller This technology is described in more detail and is protected by a number of patents. See, for example, US 5,724,805, 5,956,937, 6,389,814, 6,598,398 or
WO 2005/100754. WO 2005/100754.
DE 103 30 859 beskriver et anlegg, se fig. 1-4, med en oksygentilførsel 9 som leverer rent oksygen til en oxyfuelbrenner 2. Brenselet føres til brenneren gjennom en ledning 20. Forbrenningsgassene fra brenneren 2 går til en turbin 3 som driver en generator 8 og en kompressor 1. Deretter går forbrenningsgassene til en kjøler 4 for uttrekking av den resterende termiske energien i gassene, med bruk av en turbin 10 og en generator 11 i en kjølemediumkrets 24-30. Etter kjøleren 4 går forbrenningsgassene til kompressoren 1 og blir der separert i en fraksjon som går til brenneren 2, og en fraksjon som går til en kondensator 7a, 7b for separering av CO2og vanninnholdet i forbrenningsgassfraksjonen. DE 103 30 859 describes a plant, see fig. 1-4, with an oxygen supply 9 which supplies pure oxygen to an oxyfuel burner 2. The fuel is fed to the burner through a line 20. The combustion gases from the burner 2 go to a turbine 3 which drives a generator 8 and a compressor 1. Then the combustion gases go to a cooler 4 for extracting the remaining thermal energy in the gases, using a turbine 10 and a generator 11 in a coolant circuit 24-30. After the cooler 4, the combustion gases go to the compressor 1 and are there separated into a fraction that goes to the burner 2, and a fraction that goes to a condenser 7a, 7b for separating CO2 and the water content in the combustion gas fraction.
EP 1219 800 beskriver et anlegg hvor det brukes en oxyfuelbrenner 2 som leverer en forbrenningsgass som går til en turbin 7, som driver en generator 5, og en kompressor 18. CO2-fraksjonen i forbrenningsgassene brukes som arbeidsmedium, og etter turbinen 7 blir forbrenningsgassene kjølt i varmevekslere 11 og 13 før forbrenningsgassen går til kompressoren 18. Gassene blir så kjølt i varmeveksleren 14 slik at det dannes en vann/væskefase som kan tas ut, mens CO2-fraksjonen går til en kondensator 4 for dannelse av flytende CO2. Den flytende CO2oppvarmes i en varmeveksler 11 og går så gjennom turbinen 22 for uttrekking av termisk energi før væsken går inn i brenneren 2. EP 1219 800 describes a plant where an oxyfuel burner 2 is used which supplies a combustion gas that goes to a turbine 7, which drives a generator 5, and a compressor 18. The CO2 fraction in the combustion gases is used as a working medium, and after the turbine 7 the combustion gases are cooled in heat exchangers 11 and 13 before the combustion gas goes to the compressor 18. The gases are then cooled in the heat exchanger 14 so that a water/liquid phase is formed which can be taken out, while the CO2 fraction goes to a condenser 4 to form liquid CO2. The liquid CO2 is heated in a heat exchanger 11 and then passes through the turbine 22 to extract thermal energy before the liquid enters the burner 2.
EP 0831 205 beskriver et anlegg med en oxyfuelbrenner 1 som avgir forbrenningsgasser som driver en kraftgenereringsinnretning 9. Sistnevnte kan være en turbin som driver en generator. Forbrenningsgassene går så til en kondensator for separering av CO2og vann. EP 0831 205 describes a plant with an oxyfuel burner 1 which emits combustion gases which drive a power generation device 9. The latter can be a turbine which drives a generator. The combustion gases then go to a condenser for the separation of CO2 and water.
US 6 945 025 beskriver et lav- eller utslippsfritt kraftgererende system som benytter en luftseparator som oksygenkilde. En gassgenerator mates med oksygen og et hydrokarbondrivstoff som forbrennes og danner vann og karbondioksid. Vann og andre fortynningsmidler mates til gassgeneratoren for å kontrollere temperaturen til forbrenningsproduktene. Forbrenningsproduktene ekspanderes i minst en turbin eller annen ekspander for å levere kraft. Forbrenningsproduktene blir deretter sendt gjennom en separator hvor damp blir kondensert. En andel av vannet avhendes og resten sendes tilbake til gassgeneratoren. Karbondioksidet kan kondisjoneres for sekvestrering. US 6,945,025 describes a low or emission-free power generating system that uses an air separator as an oxygen source. A gas generator is fed with oxygen and a hydrocarbon fuel which burns to form water and carbon dioxide. Water and other diluents are fed to the gas generator to control the temperature of the combustion products. The combustion products are expanded in at least one turbine or other expander to deliver power. The combustion products are then sent through a separator where steam is condensed. A portion of the water is disposed of and the rest is sent back to the gas generator. The carbon dioxide can be conditioned for sequestration.
Det er imidlertid et problem at karboninnfanging og utskillingen fra avgassene fra varmekraftverk krever en vesentlig energimengde og derfor vil være relativt dyr. Det foreligger derfor et behov for mer energieffektive varmekraftverk med karboninnfanging og utskilling. However, it is a problem that carbon capture and the separation from the exhaust gases from thermal power plants require a significant amount of energy and will therefore be relatively expensive. There is therefore a need for more energy-efficient thermal power plants with carbon capture and separation.
Oppfinnelsens hensikt Purpose of the invention
Hovedhensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe en forbedret fremgangsmåte og et forbedret anlegg for kombinert produksjon av elektrisitet og vann, med innfanging av den produserte CO2’en. The main purpose of the invention is to provide an improved method and an improved plant for the combined production of electricity and water, with capture of the produced CO2.
Nok en hensikt er å tilveiebringe en energieffektiv fremgangsmåte og et energieffektivt anlegg for kombinert produksjon av elektrisitet og vann, med innfanging av den produserte CO2’en. Another purpose is to provide an energy-efficient method and an energy-efficient facility for the combined production of electricity and water, with capture of the CO2 produced.
Oppfinnelsens hensikt kan oppnås med de trekk som er angitt i den etterfølgende beskrivelse og/eller i patentkravene. The purpose of the invention can be achieved with the features indicated in the following description and/or in the patent claims.
Beskrivelse av oppfinnelsen Description of the invention
Oppfinnelsen baserer seg på den erkjennelsen at ved å trykksette avgassen før kondenseringen, reduseres fordampningsvarmen slik at det derved kan brukes en høyere kondenseringstemperatur, noe som igjen muliggjør en utnyttelse av en større andel av varmeinnholdet i avgassen ved å forsyne et kjølemedium med en høyere eksergi. The invention is based on the recognition that by pressurizing the exhaust gas before condensation, the heat of vaporization is reduced so that a higher condensation temperature can thereby be used, which in turn enables the utilization of a greater proportion of the heat content in the exhaust gas by supplying a cooling medium with a higher exergy.
I samsvar med et første aspekt vedrører således oppfinnelsen en fremgangsmåte for kombinert produksjon av vann og elektrisk energi, innbefattende: In accordance with a first aspect, the invention thus relates to a method for the combined production of water and electrical energy, including:
- mating av i hovedsaken rent oksygen og et hydrokarbonbrensel med et støkiometrisk forhold inn i en brenner, - feeding essentially pure oxygen and a hydrocarbon fuel with a stoichiometric ratio into a burner,
- forbrenning av oksygenet og hydrokarbonet for dannelse av en avgass som har en forholdsvis høy temperatur og et forholdsvis høyt trykk, - combustion of the oxygen and hydrocarbon to form an exhaust gas which has a relatively high temperature and a relatively high pressure,
- føring av avgassen under den forholdsvis høye temperaturen og det forholdsvis høye trykket til en ekspansjonsinnretning som driver en elektrisk generator og en avgasskompressor, - leading the exhaust gas under the relatively high temperature and the relatively high pressure to an expansion device which drives an electric generator and an exhaust gas compressor,
- føring av avgassen fra ekspanderingsinnretningen og til en avgasskjøler som kjøler gassen til en temperatur over dampkondenseringstemperaturen, - leading the exhaust gas from the expander to an exhaust gas cooler that cools the gas to a temperature above the steam condensation temperature,
- føring av avgassen fra avgassgasskjøleren og til avgasskompressoren for trykksetting, og - leading the exhaust gas from the exhaust gas cooler and to the exhaust gas compressor for pressurization, and
- føring av den trykksatte avgassen til en avgasskondensator hvor avgassen kondenseres og derved separeres i en i hovedsaken ren vannfraksjon og en CO2-gassfraksjon. - leading the pressurized exhaust gas to an exhaust gas condenser where the exhaust gas is condensed and thereby separated into a mainly pure water fraction and a CO2 gas fraction.
Uttrykket ”i hovedsaken rent oksygen” skal her bety en så ren som mulig oksygengass eller flytende oksygen som kan brukes som oksygeninnmating i brenneren. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen vil virke med mer eller mindre anrikede oksygenfaser som oksygentilførsel til brenneren, men det er fordelaktig at oksygentilførselen er en så ren som mulig oksygenfase, for derved å unngå dannelse av uønskede forbrenningsprodukter i avgassen, så som eksempelvis NOx, etc. Det samme gjelder for hydrokarboninnmatingen. Oppfinnelsen vil virke med enhver hydrokarboninnmating som har ulike renhetsgrader, men det vil være fordelaktig å bruke et så rent som mulig hydrokarbon, for derved bare å danne vann og karbondioksid under forbrenningen og på den måten unngå behovet for gassrensere, gassykloner og andre konvensjonelle avgassrensetiltak som man kjenner fra varmekraftverk som baserer seg på forbrenning av karbonholdige brensler. The term "mainly pure oxygen" shall here mean as pure as possible oxygen gas or liquid oxygen that can be used as oxygen input to the burner. The method according to the invention will work with more or less enriched oxygen phases as oxygen supply to the burner, but it is advantageous that the oxygen supply is as pure an oxygen phase as possible, thereby avoiding the formation of unwanted combustion products in the exhaust gas, such as NOx, etc. The same applies to the hydrocarbon feed. The invention will work with any hydrocarbon feed that has different degrees of purity, but it will be advantageous to use a hydrocarbon as pure as possible, thereby only forming water and carbon dioxide during combustion and thus avoiding the need for gas cleaners, gas cyclones and other conventional exhaust gas cleaning measures such as known from thermal power plants that are based on the combustion of carbon-containing fuels.
Oksygentilførselen kan fordelaktig oppnås med bruk av en luftsepareringsenhet. Med ”luftsepareringsenhet” mener man her enhver enhet eller innretning som kan brukes for separering av atmosfæreluft i en i hovedsaken ren oksygenfraksjon og en restfraksjon. Denne enheten kan være en kryogenisk luftsepareringsenhet eller det kan dreie seg om ikke-kryogene luftsepareringsprosesser så som trykksvingadsorpsjon, vakuumtrykksvingadsorpsjon eller membranseparering. Oppfinnelsen kan benytte enhver kjent og fremtidig tenkbare luftsepareringsenheter som kan tilveiebringe en tilstrekkelig oksygentilførsel som nødvendig for en kjøring av forbrenningsprosessen under støkiometriske forhold. Luftsepareringsenheten kan fordelaktig separere restfraksjonen i en i hovedsaken ren nitrogen/væskefraksjon og eventuelt også i hovedsaken rene fraksjoner av edelgasser som forefinnes i atmosfærisk luft. Dette vil gi den inventive prosessen en bedret økonomi ved at det tilveiebringes flere salgsprodukter. The oxygen supply can advantageously be achieved with the use of an air separation unit. By "air separation unit" is meant here any unit or device that can be used for separating atmospheric air into a mainly pure oxygen fraction and a residual fraction. This unit can be a cryogenic air separation unit or it can be non-cryogenic air separation processes such as pressure swing adsorption, vacuum pressure swing adsorption or membrane separation. The invention can use any known and future conceivable air separation units which can provide a sufficient oxygen supply as necessary for running the combustion process under stoichiometric conditions. The air separation unit can advantageously separate the residual fraction into a mainly pure nitrogen/liquid fraction and possibly also mainly pure fractions of noble gases that are present in atmospheric air. This will give the inventive process an improved economy by providing more sales products.
Føringen av avgassen fra avgasskjøleren til en avgasskompressor for trykksetting før kondensering av vanninnholdet i avgasskondensatoren medfører flere fordeler. The conveying of the exhaust gas from the exhaust gas cooler to an exhaust gas compressor for pressurization before condensation of the water content in the exhaust gas condenser entails several advantages.
En fordel er at kondenseringen skjer under en høyere temperatur (som følge av det økte trykket), og således muliggjør en uttrekking av mer energi til kjølemediet som går i avgasskondensatoren og avgasskjøleren (høyere eksergi). Denne høyere eksergien vil mer enn kompensere for energiforbruket for komprimering av avgassen før kondenseringen slik at den totale effektiviteten øker. Dette kan man se ved å foreta en sammenlignende beregning av den elektriske energien som kan uttrekkes ved å plassere en sekundær dampturbin med generator i kjølemediumkretsen ved en trykkondensering og ved en konvensjonell ikke-trykksatt kondensering. I begge tilfellene kan man anta følgende: Avgassen fra kompressoren i primærgassturbintoget vil ha et trykk på 60 bar og en temperatur på 500 °C og inneholde ca. 50 mol% H2O og 50 mol% CO2. Den polytropiske energieffektiviteten til sekundærdampturbinen med elektrisk generator antas å være 80 %. Restvanninnholdet i avgassen etter kondenseringen er 4 %, og temperaturen i avgassen etter kondensering/rekomprimering er 114 °C ved 60 bar. I begge beregningstilfellene settes massestrømmen lik 1 kg/sek. Når avgassen kjøles direkte fra primærekspansjonsinnretningen ved et trykk på 60 bar og all energien i kondensatorens kjølemedium utnyttes i en andre dampturbin for produsering av elektrisk energi, kan det oppnås 366 kW. Alternativt, dersom avgassen forlater primærdampturbinen (500 °C, 60 bar) tillates å ekspandere til 1 bar før kondenseringen av vannet (etter en komprimering av CO2-fasen etter kondensering til 60 bar og så kjøling til 114 °C for dermed å tilveiebringe lignende utgangsbetingelser som i sammenligningseksemplet), vil netto elektrisk energi fra prosessen (kjølekretsekspanderingsinnretning avgassekspanderingsinnretning – CO2-kompressor) være 313 kW. En kondensering ved 60 bar gjør det således mulig å trekke ut 17 % mer elektrisitet fra kondenseringsprosessen sammenlignet med en kondensering av avgassen under atmosfæretrykk. An advantage is that the condensation takes place at a higher temperature (as a result of the increased pressure), and thus enables the extraction of more energy for the refrigerant that goes into the exhaust gas condenser and exhaust gas cooler (higher exergy). This higher exergy will more than compensate for the energy consumption for compressing the exhaust gas before condensation so that the overall efficiency increases. This can be seen by making a comparative calculation of the electrical energy that can be extracted by placing a secondary steam turbine with a generator in the refrigerant circuit in a pressurized condensation and in a conventional non-pressurized condensation. In both cases, the following can be assumed: The exhaust gas from the compressor in the primary gas turbine train will have a pressure of 60 bar and a temperature of 500 °C and contain approx. 50 mol% H2O and 50 mol% CO2. The polytropic energy efficiency of the secondary steam turbine with electric generator is assumed to be 80%. The residual water content in the exhaust gas after condensation is 4%, and the temperature in the exhaust gas after condensation/recompression is 114 °C at 60 bar. In both calculation cases, the mass flow is set equal to 1 kg/sec. When the exhaust gas is cooled directly from the primary expansion device at a pressure of 60 bar and all the energy in the condenser's coolant is utilized in a second steam turbine for the production of electrical energy, 366 kW can be achieved. Alternatively, if the exhaust gas leaving the primary steam turbine (500 °C, 60 bar) is allowed to expand to 1 bar before the condensation of the water (after a compression of the CO2 phase after condensation to 60 bar and then cooling to 114 °C to thereby provide similar exit conditions as in the comparative example), the net electrical energy from the process (refrigerating circuit expansion device exhaust gas expansion device – CO2 compressor) will be 313 kW. A condensation at 60 bar thus makes it possible to extract 17% more electricity from the condensation process compared to a condensation of the exhaust gas under atmospheric pressure.
Nok en fordel med en trykksatt kondensering er at gasstrømvolumene nedstrøms for avgassuttrekkingen vil være betydelig mindre, fordi volumstrømmen av et gassmedium er omvendt proporsjonal med gasstrykket. Dette muliggjør bruk av prosessutstyr som har et relativt lite tverrsnittsareal. Den relativt høyere temperaturen i den komprimerte avgassen vil også være gunstig fordi den muliggjør bruk av en større temperaturforskjell (sammensnøringstemperatur (eng: pinch temperature)) i varmeveksleren, slik at det derved blir mulig å bruke varmevekslere som har mindre dimensjoner. Another advantage of a pressurized condensation is that the gas flow volumes downstream of the exhaust gas extraction will be significantly smaller, because the volume flow of a gas medium is inversely proportional to the gas pressure. This enables the use of process equipment that has a relatively small cross-sectional area. The relatively higher temperature in the compressed exhaust gas will also be beneficial because it enables the use of a larger temperature difference (pinch temperature) in the heat exchanger, so that it becomes possible to use heat exchangers that have smaller dimensions.
Nok en fordel med en trykksetting av avgassen er at det fremkommer en komprimert CO2-fase etter kondenseringen, hvilket resulterer i en tilsvarende reduksjon av behovet for ytterligere komprimeringsutstyr og energiforbruk før sluttbruken eller uttrekkingen av CO2-gassen. Eksempelvis kan man således utelate én eller flere kompressorer i CO2-gassens eksportledning. Den komprimerte kondenseringen vil også medføre den fordelen at CO2-fasen blir tørrere, hvilket vil kunne være viktig i forbindelse med videre applikasjoner av CO2-gassen. Ved eksempelvis 30 °C vil en kondensering under atmosfæretrykk medføre at det blir igjen ca. 4 % vann i gassfasen mens vannresten bare vil være 0,07 % ved et trykk på 60 bar. Another advantage of pressurizing the exhaust gas is that a compressed CO2 phase appears after the condensation, which results in a corresponding reduction in the need for additional compression equipment and energy consumption before the final use or extraction of the CO2 gas. For example, one or more compressors can thus be omitted in the CO2 gas export line. The compressed condensation will also have the advantage that the CO2 phase becomes drier, which could be important in connection with further applications of the CO2 gas. At, for example, 30 °C, condensation under atmospheric pressure will result in approx. 4% water in the gas phase, while the remaining water will only be 0.07% at a pressure of 60 bar.
Forbrenningsprosessen kan fordelaktig styres/kjøles med innføring av vann og/eller resirkulert CO2/damp fra kompressoren. I denne utførelsen innbefatter oppfinnelsen føring av en delstrøm fra avgasskompressoren og til brenneren og/eller føring av vann fra avgasskondensatorens vannutløp og til brenneren. The combustion process can advantageously be controlled/cooled with the introduction of water and/or recycled CO2/steam from the compressor. In this embodiment, the invention includes routing a partial flow from the exhaust gas compressor to the burner and/or routing water from the exhaust gas condenser's water outlet to the burner.
I samsvar med et andre aspekt kan fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen innbefatte en oppdeling av avgasskomprimeringen i to trinn og plassering av en mellomkjøler for delkondensering av vanninnholdet i avgassen mellom den første og den andre avgasskompressoren. En slik utførelse oppnår en reduksjon av det totale kompresjonsarbeidet som følge av en redusert massestrøm i nedstrømskompressoren. Denne mellomkjølingen/kondenseringen gjør det også mulig å kunne regulere CO2/H2O-forholdet i gassen som resirkuleres i brenneren. Dette trekket gir en bedre stabilitet og styring av sammensetningen av avgass som resirkuleres til brennerkammeret, og vil således redusere muligheten for uønsket drift av forbrenningsprosessen. Dette muliggjør en optimering av energiøkonomien i kraftverket fordi uttrekkingsraten for vann og oppvarmingen (som følge av kompresjonsarbeidet) av avgassen kan optimeres som følge av den energien som er nødvendig for komprimeringen og gjenvinningen av den termiske energien i avgassen. In accordance with a second aspect, the method according to the invention can include a division of the exhaust gas compression into two stages and the placement of an intercooler for partial condensation of the water content in the exhaust gas between the first and the second exhaust gas compressor. Such an embodiment achieves a reduction of the total compression work as a result of a reduced mass flow in the downstream compressor. This intermediate cooling/condensation also makes it possible to regulate the CO2/H2O ratio in the gas that is recycled in the burner. This feature provides better stability and control of the composition of exhaust gas that is recycled to the combustion chamber, and will thus reduce the possibility of unwanted operation of the combustion process. This enables an optimization of the energy economy in the power plant because the extraction rate for water and the heating (as a result of the compression work) of the exhaust gas can be optimized as a result of the energy required for the compression and recovery of the thermal energy in the exhaust gas.
Uttrykket ”brenner” som brukt her skal bety enhver type kjemisk reaktor som kan opprettholde en kontinuerlig forbrenning av en hydrokarbontilførsel i en ren oksygenatmosfære. The term "burner" as used herein shall mean any type of chemical reactor capable of sustaining a continuous combustion of a hydrocarbon feed in a pure oxygen atmosphere.
Uttrykket ”ekspansjonsinnretning” som brukt her er ment å innbefatte enhver innretning som kan brukes for uttrekking av energi fra høytemperatur- og høytrykkavgassen og omforme denne energien til mekanisk energi. Dette kan fordelaktig være flertrinnsturbiner, men oppfinnelsen er ikke bundet til bruk av slike. Enhver for tiden kjent og fremtidig tenkbar innretning for uttrekking av energiinnholdet i avgassen og omforming av den til mekanisk energi, kan brukes. The term "expansion device" as used here is intended to include any device that can be used to extract energy from the high-temperature and high-pressure exhaust gas and transform this energy into mechanical energy. This can advantageously be multi-stage turbines, but the invention is not bound to the use of such. Any currently known and future conceivable device for extracting the energy content of the exhaust gas and transforming it into mechanical energy can be used.
Ifølge et tredje aspekt vedrører oppfinnelsen et anlegg for kombinert produksjon av vann og elektrisk energi, innbefattende: According to a third aspect, the invention relates to a plant for the combined production of water and electrical energy, including:
- en kilde med rent oksygen, - a source of pure oxygen,
- en kilde med et hydrokarbonbrensel, - a source with a hydrocarbon fuel,
- en brenner som tilføres det rene oksygenet og hydrokarbonbrenselet, - en ekspanderingsinnretning som driver en elektrisk generator og en gasskompressor, - a burner which supplies the pure oxygen and the hydrocarbon fuel, - an expander which drives an electric generator and a gas compressor,
- midler for føring av avgassen fra brenneren og til ekspanderingsinnretningen, - means for guiding the exhaust gas from the burner and to the expansion device,
- en avgasskjøler, - an exhaust gas cooler,
- midler for føring av avgassen fra ekspanderingsinnretningen og til avgasskjøleren, - means for guiding the exhaust gas from the expansion device and to the exhaust gas cooler,
- midler for transport av avgassen fra avgasskjøleren og til kompressoren, - en avgasskondensator, - means for transporting the exhaust gas from the exhaust gas cooler and to the compressor, - an exhaust gas condenser,
- midler for føring av den trykksatte avgassen fra kompressoren og til avgasskondensatoren, - means for guiding the pressurized exhaust gas from the compressor to the exhaust gas condenser,
- midler for tilføring av et kjølemedium til avgasskondensatoren og avgasskjøleren, og - means for supplying a cooling medium to the exhaust gas condenser and the exhaust gas cooler, and
- midler for separat gjenvinning av CO2-gassfraksjonen og vannfraksjonen fra avgasskondensatoren. - means for separate recovery of the CO2 gas fraction and the water fraction from the off-gas condenser.
I tillegg til de nevnte midler og prosessutstyr, kan anlegget også innbefatte midler for uttrekking av varmeinnholdet i det kjølemediet som tilføres avgasskjøleren og avgasskondensatoren, og omforming av denne energien til elektrisk energi. Disse midlene kan blant annet være en ekspanderingsinnretning i kjølekretsen for drift av en andre elektrisk generator for derved å kunne utnytte kjølemediets eksergi. In addition to the aforementioned means and process equipment, the plant may also include means for extracting the heat content of the refrigerant that is supplied to the exhaust gas cooler and the exhaust gas condenser, and converting this energy into electrical energy. These means can, among other things, be an expansion device in the cooling circuit for operating a second electrical generator in order to thereby be able to utilize the exergy of the cooling medium.
Kjølekretsen kan fordelaktig være delt i en lavtemperaturdel for tilføring av kjølemedium til avgasskondensatoren og en første varmeveksler for avgasskjøleren, en mellomhøytemperaturdel for tilføring av mellomoppvarmet kjølemedium til en andre varmeveksler oppstrøms for den første varmeveksleren i avgasskjøleren, og en høytemperaturdel for tilføring av maksimalt oppvarmet kjølemedium til kjølekretsekspanderingsinnretningen. The cooling circuit can advantageously be divided into a low temperature part for supplying coolant to the exhaust gas condenser and a first heat exchanger for the exhaust gas cooler, a medium high temperature part for supplying intermediate heated coolant to a second heat exchanger upstream of the first heat exchanger in the exhaust gas cooler, and a high temperature part for supplying maximally heated coolant to the cooling circuit expansion device.
Forbrenningsprosessen i brenneren kan fordelaktig styres, kjøles ved innføring av vann og/eller resirkulert CO2/damp fra kompressoren. I denne utførelsen vil anlegget i tillegg innbefatte midler for føring av avgassen fra avgasskompressoren og til brenneren og/eller midler for føring av vann fra vannutløpsledningen fra avgasskondensatoren og til brenneren. The combustion process in the burner can advantageously be controlled, cooled by introducing water and/or recycled CO2/steam from the compressor. In this embodiment, the plant will additionally include means for guiding the exhaust gas from the exhaust gas compressor and to the burner and/or means for guiding water from the water outlet line from the exhaust gas condenser to the burner.
Kontinuerlig drift av oppfinnelsen krever adgang til en termisk brønn for kjøling/-kondensering av avgassen. Tilgangen av kjølevann bestemmer hvilken brønn som skal benyttes. Når man har adgang til kjølevann, kan varmebrønnen være en varmeveksler 20 som tilføres eksternt kaldt vann 26. Foreligger det en utilstrekkelig tilførsel av kjølevann, så kan man eksempelvis bruke et kjøletårn. Continuous operation of the invention requires access to a thermal well for cooling/condensing the exhaust gas. The supply of cooling water determines which well is to be used. When you have access to cooling water, the heat well can be a heat exchanger 20 which is supplied with external cold water 26. If there is an insufficient supply of cooling water, you can for example use a cooling tower.
Som et alternativ til omformingen av avgassens varmeenergi til elektrisk energi, kan én eller begge elektriske generatorer 8, 21 utelates og den korresponderende ekspanderingsinnretningen (ekspanderingsinnretningene) 7 og 19 kan da brukes for tilveiebringelse av mekanisk energi. As an alternative to the transformation of the heat energy of the exhaust gas into electrical energy, one or both electrical generators 8, 21 can be omitted and the corresponding expanding device(s) 7 and 19 can then be used for the provision of mechanical energy.
Oppfinnelsen medfører den fordelen at den muliggjør en samtidig produksjon av elektrisk energi og vann på en miljøvennlig måte. Dannelse av NOxer praktisk talt eliminert fordi forbrenningen skjer i en i hovedsaken ren oksygenatmosfære eller alternativt med tilføring av noe vann og CO2. Det eneste nitrogenet som tilføres forbrenningssonen vil være eventuelle nitrogenholdige forurensninger i hydrokarbonmatingen. Det samme gjelder for eventuelle andre kjente forurensninger, så som svovelforbindelser, etc. En ekstra miljøfordel er at prosessen vil gi en i hovedsaken ren CO2-fraksjon. Dette gjør det relativt enkelt å komprimere eller behandle CO2-gassen for uttrekking og/eller for salg for industrielle formål. Fremgangsmåten ifølge det første inventive aspektet vil gi i hovedsaken ren og utskilt CO2og vann. CO2-fraksjonen kan tilbys for salg i markedet eller kan transporteres til en saltførende bergart, en jordformasjon, etc. for trygg oppbevaring. The invention has the advantage that it enables the simultaneous production of electrical energy and water in an environmentally friendly way. The formation of NOx is practically eliminated because the combustion takes place in a mainly pure oxygen atmosphere or alternatively with the addition of some water and CO2. The only nitrogen supplied to the combustion zone will be any nitrogenous impurities in the hydrocarbon feed. The same applies to any other known pollutants, such as sulfur compounds, etc. An additional environmental advantage is that the process will produce a mainly pure CO2 fraction. This makes it relatively easy to compress or process the CO2 gas for extraction and/or for sale for industrial purposes. The method according to the first inventive aspect will provide mainly clean and separated CO2 and water. The CO2 fraction can be offered for sale in the market or can be transported to a salt-bearing rock, a soil formation, etc. for safe storage.
Utføringseksempler av oppfinnelsen Exemplary embodiments of the invention
Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere ved hjelp av utførelseseksempler. Disse eksemplene skal ikke anses å være begrensende for det generelle inventive konseptet med samtidig produksjon av elektrisk energi og vann med støkiometrisk forbrenning av hydrokarboner i en ren oksygenatmosfære og etterfølgende trykkondensering av avgassen. The invention will now be described in more detail with the help of design examples. These examples are not to be considered limiting of the general inventive concept of simultaneous production of electrical energy and water with stoichiometric combustion of hydrocarbons in a pure oxygen atmosphere and subsequent pressure condensation of the exhaust gas.
Eksempel 1 Example 1
Dette eksemplet er et anlegg med adgang til kjølevann, slik at den nødvendige regenereringen av kjølemediet helt enkelt kan oppnås ved å føre kjølemediet gjennom en varmeveksler og veksle det tilførte varmeinnholdet i kjølemediet med kjølevannet. Utførelsen innbefatter bruk av en andre ekspanderingsinnretning og elektrisk generator for omforming av kjølemediets eksergi til elektrisk kraft. Denne produksjonen benevnes her som en sekundær elektrisitetsproduksjon. Videre benyttes det her en luftsepareringsenhet for oksygentilførsel og en flertrinns gassturbin som ekspanderingsinnretninger, både for den primære og den sekundære elektrisitetsproduksjonen. This example is a plant with access to cooling water, so that the necessary regeneration of the cooling medium can be achieved simply by passing the cooling medium through a heat exchanger and exchanging the supplied heat content in the cooling medium with the cooling water. The design includes the use of a second expansion device and electrical generator for converting the refrigerant's exergy into electrical power. This production is referred to here as secondary electricity production. Furthermore, an air separation unit for oxygen supply and a multi-stage gas turbine are used as expansion devices, both for the primary and the secondary electricity production.
Dette eksemplet er vist skjematisk i fig. 1 og innbefatter: This example is shown schematically in fig. 1 and includes:
- en lufttilførselsledning 1 som har forbindelse med en luftsepareringsenhet 2 for separering av lufttilførselen i en oksygenfraksjon og en restfraksjon, - an air supply line 1 which is connected to an air separation unit 2 for separating the air supply into an oxygen fraction and a residual fraction,
- en brenner 5, - a burner 5,
- midler 3 for føring av oksygenfraksjonen til brenneren 5, - means 3 for feeding the oxygen fraction to the burner 5,
- midler 4 for uttak av restfraksjonen fra luftsepareringsenheten 2, - means 4 for withdrawing the residual fraction from the air separation unit 2,
- midler for føring av en hydrokarbontilførsel 6 i et støkiometrisk forhold med oksygenmatingen 3 til brenneren 5, - means for conducting a hydrocarbon feed 6 in a stoichiometric ratio with the oxygen feed 3 to the burner 5,
- en ekspanderingsinnretning 7 som driver en generator 8 og en kompressor 9, - an expanding device 7 which drives a generator 8 and a compressor 9,
- midler 10 for føring av avgassen fra brenneren 5 til ekspanderingsinnretningen 7, - means 10 for guiding the exhaust gas from the burner 5 to the expanding device 7,
- midler 17 for føring av en fraksjon av trykksatt avgass fra kompressoren 9 og til brenneren 5, - means 17 for guiding a fraction of pressurized exhaust gas from the compressor 9 and to the burner 5,
- en avgasskjøler 11, - an exhaust gas cooler 11,
- midler 12 for føring av avgassen fra ekspanderingsinnretningen 7 og til avgasskjøleren 11, - means 12 for guiding the exhaust gas from the expansion device 7 and to the exhaust gas cooler 11,
- midler 13 for føring av avgassen fra avgasskjøleren 11 og til kompressoren 9, - means 13 for guiding the exhaust gas from the exhaust gas cooler 11 and to the compressor 9,
- en avgasskondensator 14, - an exhaust gas condenser 14,
- midler 18 for føring av trykksatt avgass fra kompressoren 9 og til avgasskondensatoren 14, - means 18 for conducting pressurized exhaust gas from the compressor 9 and to the exhaust gas condenser 14,
- midler 16 for uttrekking av produsert vann fra avgasskondensatoren 14, - midler 15, 28, 29 for uttrekking og ytterligere komprimering av CO2fra avgasskondensatoren 14, og - means 16 for extraction of produced water from the exhaust gas condenser 14, - means 15, 28, 29 for extraction and further compression of CO2 from the exhaust gas condenser 14, and
en kjølekrets som innbefatter: a cooling circuit that includes:
- en lavtemperaturrørledning 24 med en pumpe 25 for føring av regenerert kjølemedium fra pumpen 25 til avgasskondensatoren 14 og avgasskjøleren 11, - en rørledning 24a for føring av middels oppvarmet kjølemedium fra avgasskondensatoren 14 og til avgasskjøleren 11, - a low-temperature pipeline 24 with a pump 25 for leading regenerated coolant from the pump 25 to the exhaust gas condenser 14 and the exhaust gas cooler 11, - a pipeline 24a for leading medium-heated coolant from the exhaust gas condenser 14 and to the exhaust gas cooler 11,
- en kjølekretsekspanderingsinnretning 19, - a cooling circuit expansion device 19,
- en rørledning 24b for føring av sterkt oppvarmet kjølemedium fra avgasskjøleren 11 og til kjølekretsekspanderingsinnretningen 19, - a pipeline 24b for leading strongly heated cooling medium from the exhaust gas cooler 11 and to the cooling circuit expansion device 19,
- en generator 21 for produksjon av elektrisk energi, - a generator 21 for the production of electrical energy,
- en varmeveksler 20 i forbindelse med en kjølevannskilde 26, 27, - a heat exchanger 20 in connection with a cooling water source 26, 27,
- en rørledning 22 for føring av kjølemedium fra kjølekretsekspanderingsinnretningen 19 og til varmeveksleren 20, og - a pipeline 22 for guiding cooling medium from the cooling circuit expansion device 19 and to the heat exchanger 20, and
- en rørledning 23 for føring av regenerert kjølemedium til pumpen 25. - a pipeline 23 for leading regenerated cooling medium to the pump 25.
Dette anlegget virker som følger: Luft suges inn i luftsepareringsenheten 2 og separeres i en ren oksygenfraksjon og en restfraksjon som i hovedsaken inneholder nitrogengass og edelgasser. Den rene oksygenfraksjonen føres til brenneren 5 i et støkiometrisk forhold til en hydrokarbonmating. Forbrenningen styres ved å resirkulere noe av avgassen (i hovedsaken inneholdende CO2og H2O) gjennom ledningen 17. Avgassen fra brenneren 5 vil typisk ha en temperatur på 1000 -1500 °C og et trykk på fra ca. 30 - 60 bar, avhengig av varmetoleransen til den turbinen som brukes som ekspanderingsinnretning 7. Etter føringen gjennom ekspanderingsinnretningen 7 vil avgassen typisk ha en temperatur på ca. 500 °C og et trykk på 1 bar. Denne delen av anlegget kan ses på som en primær elektrisitetsproduksjon. This plant works as follows: Air is sucked into the air separation unit 2 and separated into a pure oxygen fraction and a residual fraction which mainly contains nitrogen gas and noble gases. The pure oxygen fraction is fed to the burner 5 in a stoichiometric ratio to a hydrocarbon feed. Combustion is controlled by recycling some of the exhaust gas (mainly containing CO2 and H2O) through line 17. The exhaust gas from the burner 5 will typically have a temperature of 1000 -1500 °C and a pressure of from approx. 30 - 60 bar, depending on the heat tolerance of the turbine used as expansion device 7. After passing through the expansion device 7, the exhaust gas will typically have a temperature of approx. 500 °C and a pressure of 1 bar. This part of the plant can be seen as primary electricity production.
Varmeinnholdet i avgassen blir så trukket ut ved hjelp av varmeveksling med kjølemediet i avgasskjøleren 11. I denne utførelsen brukes det to varmevekslere som er seriekoblet slik at etter føringen gjennom den første varmeveksleren vil avgassen være kjølt til ca.400 °C og ha et trykk på ca. 1 bar, mens avgassen etter føringen gjennom den andre varmeveksleren vil være kjølt til ca. 100 °C og et trykk på rundt 1 bar. Kjølemediet fra avgasskjølerens 11 andre varmeveksler vil ha en temperatur på ca. 450 °C og et trykk på ca. 45 bar. The heat content in the exhaust gas is then extracted using heat exchange with the refrigerant in the exhaust gas cooler 11. In this design, two heat exchangers are used which are connected in series so that after passing through the first heat exchanger, the exhaust gas will be cooled to approx. 400 °C and have a pressure of about. 1 bar, while the exhaust gas after passing through the second heat exchanger will be cooled to approx. 100 °C and a pressure of around 1 bar. The coolant from the exhaust gas cooler's 11 other heat exchangers will have a temperature of approx. 450 °C and a pressure of approx. 45 bar.
Avgassen fra kjøleren 11 går til avgasskompressoren 9 hvor gassen komprimeres til et trykk på 60 bar og en temperatur på ca.400 °C. En del av den komprimerte avgassen føres inn i brenneren for regulering av forbrenningsprosessen. The exhaust gas from the cooler 11 goes to the exhaust gas compressor 9 where the gas is compressed to a pressure of 60 bar and a temperature of approximately 400 °C. Part of the compressed exhaust gas is fed into the burner to regulate the combustion process.
Restfraksjonen av komprimert avgass går til avgasskondensatoren 14 for separering av avgassen i en væske/vannfraksjon og en CO2-gassfase. Kondenseringen oppnås ved å kjøle den komprimerte avgassen til ca. 50<o>C ved varmeveksling mellom avgassen og et kjølemedium i kondensatoren. Kjølemediet går inn i kondensatorvarmeveksleren med en temperatur rundt 20 °C og går ut med en temperatur på rundt 150 °C, hvoretter kjølemediet går til avgasskjølerens 11 andre varmeveksler. The residual fraction of compressed exhaust gas goes to the exhaust gas condenser 14 for separating the exhaust gas into a liquid/water fraction and a CO2 gas phase. Condensation is achieved by cooling the compressed exhaust gas to approx. 50<o>C by heat exchange between the exhaust gas and a cooling medium in the condenser. The coolant enters the condenser heat exchanger at a temperature of around 20 °C and leaves at a temperature of around 150 °C, after which the coolant goes to the exhaust gas cooler's 11 other heat exchangers.
Som nevnt har kjølemediet som går fra avgasskjøleren 11 en temperatur på ca. 450 °C og et trykk på ca. 45 bar. Det oppvarmede kjølemediet går gjennom en ekspanderingsinnretning 19 i form av en flertrinns gassturbin, hvor mediet kjøles og ekspanderes til en temperatur på ca. 25 °C og et trykk på ca. 0,03 bar. Deretter lukkes kjølesirkelen ved at kjølemediet føres gjennom en varmeveksler 20 hvor mediet kjøles og kondenseres slik at det vil ha en temperatur på ca.20 °C og et trykk på ca.0,03 bar. As mentioned, the coolant that leaves the exhaust gas cooler 11 has a temperature of approx. 450 °C and a pressure of approx. 45 bar. The heated refrigerant passes through an expansion device 19 in the form of a multi-stage gas turbine, where the medium is cooled and expanded to a temperature of approx. 25 °C and a pressure of approx. 0.03 bar. The cooling circuit is then closed by passing the refrigerant through a heat exchanger 20 where the medium is cooled and condensed so that it will have a temperature of approx. 20 °C and a pressure of approx. 0.03 bar.
Antar man en fødehastighet på 1 kg/sek. metangass og en polytropisk energieffektivitet i flertrinnsturbinene, inkludert elektrisk generator, på 90 %, et resterende vanninnhold i avgassen etter kondenseringen lik 0,4 %, vil en slik utførelse ifølge oppfinnelsen produsere ca. 17 kW/time elektrisk energi i primærgeneratoren 8 og ca.9 kW/time elektrisk energi i den andre generatoren 21. Prosessen vil produsere ca. 2,25 kg vann og ca. 2,75 kg CO2per sekund. Assuming a feed rate of 1 kg/sec. methane gas and a polytropic energy efficiency in the multi-stage turbines, including electric generator, of 90%, a residual water content in the exhaust gas after condensation equal to 0.4%, such an embodiment according to the invention will produce approx. 17 kW/hour of electrical energy in the primary generator 8 and approx. 9 kW/hour of electrical energy in the second generator 21. The process will produce approx. 2.25 kg of water and approx. 2.75 kg CO2 per second.
Eksempel 2 Example 2
Denne utførelsen er beregnet for bruk når kjølevannet ikke er tilgjengelig. Da kan regenereringen av kjølemediet oppnås ved hjelp av et kjøletårn, slik at derved kjølemediet kjøles til ca. 30 °C i en motstrøm av luft i kjøletårnet istedenfor i varmeveksleren 20 med kjølevanninnløp 26 og utløp 27. For øvrig er eksemplet 2 likt eksempel 1, og det er vist skjematisk i fig. 2. This design is intended for use when cooling water is not available. The regeneration of the refrigerant can then be achieved with the help of a cooling tower, so that the refrigerant is thereby cooled to approx. 30 °C in a counterflow of air in the cooling tower instead of in the heat exchanger 20 with cooling water inlet 26 and outlet 27. Otherwise, example 2 is similar to example 1, and it is shown schematically in fig. 2.
Denne utførelsen av oppfinnelsen egner seg for bruk i tørre områder hvor man har adgang til naturgass, og kan i betydelig grad avlaste ferskvannstilførselen i mange områder, fordi det ikke er nødvendig med vann som kjølevæske, samtidig som det produseres vann. Eksempelvis blir et typisk anlegg på 250 MW produsert elektrisitet typisk tilført ca. 10 kg naturgass pr. sekund, hvilket vil gi en vannproduksjon på ca. 22,5 kg vann pr. sekund, vann som er tilstrekkelig rent til å kunne bli oppgradert til drikkevannskvalitet ved hjelp av vanlige offentlige vannbehandlinger. This embodiment of the invention is suitable for use in dry areas where natural gas is available, and can significantly relieve the fresh water supply in many areas, because water is not required as a coolant, while water is produced. For example, a typical installation of 250 MW produced electricity is typically supplied approx. 10 kg of natural gas per second, which will give a water production of approx. 22.5 kg of water per second, water that is sufficiently clean to be able to be upgraded to drinking water quality using normal public water treatments.
Eksempel 3 Example 3
Denne utførelsen er optimert for bruk i offshore olje- og gassinstallasjoner hvor det kreves oppvarming, elektrisk energi og ferskvann for prosesseringen av oljen og gassen og for forsyning av mannskapet om bord. Offshoreinstallasjoner vil vanligvis ha flere rensesystemer for ferskvann for bruk om bord, hvilke systemer på enkel måte kan brukes for oppgradering av vann som dannes under prosessen i samsvar med oppfinnelsen. Denne mulige utførelsen egner seg særlig for bruk i slike installasjoner fordi oppfinnelsen vil medføre at offshoreinstallasjoner vil bli selvforsynt med energi og ferskvann. I tillegg kan restluftfraksjonen 4 brukes som trykkstøtte i reservoaret ved at den føres ned i jordformasjonen sammen med CO2. I denne utførelsen vil oppfinnelsen ha adgang til sjøvann som kjølemedium. This design is optimized for use in offshore oil and gas installations where heating, electrical energy and fresh water are required for processing the oil and gas and for supplying the crew on board. Offshore installations will usually have several purification systems for fresh water for use on board, which systems can be easily used for upgrading water produced during the process in accordance with the invention. This possible design is particularly suitable for use in such installations because the invention will mean that offshore installations will be self-sufficient in energy and fresh water. In addition, the residual air fraction 4 can be used as pressure support in the reservoir by being led down into the soil formation together with CO2. In this embodiment, the invention will have access to seawater as a cooling medium.
Eksempel 3 er lik eksempel 1 med unntagelse av at kjølingen av avgasskondensatoren 14 og avgasskjøleren 13 skjer med separate kjølekretser. Eksempel 3 er vist skjematisk i fig. 3. Example 3 is similar to example 1 with the exception that the cooling of the exhaust gas condenser 14 and the exhaust gas cooler 13 takes place with separate cooling circuits. Example 3 is shown schematically in fig. 3.
Kjølingen av avgasskondensatoren 14 oppnås ved bruk av varmeveksling med sjøvann i en separat kjølekrets hvor sjøvannet trekkes ut fra sjøen ved hjelp av pumpen 25 og sendes gjennom varmeveksleren i avgasskondensatoren 14 og så tilbake i sjøen igjen gjennom rørledningen 31. The cooling of the exhaust gas condenser 14 is achieved by using heat exchange with seawater in a separate cooling circuit where the seawater is extracted from the sea using the pump 25 and sent through the heat exchanger in the exhaust gas condenser 14 and then back into the sea again through the pipeline 31.
Kjølingen av avgasskjøleren 11 oppnås ved å trekke relativt kaldt vann ut fra det varme væskesystemet om bord på offshoreinstallasjonen. Dette skjer gjennom rørledningen 32, og vannet føres gjennom én eller flere varmevekslere i avgasskjøleren 11, hvoretter varmt vann går til varmevæskesystemet gjennom rørledningen 33. I denne utførelsen brukes således kjølevæskens eksergi for tilveiebringelse av varmt vann i offshoreinstallasjonen istedenfor produsering av elektrisk energi. The cooling of the exhaust gas cooler 11 is achieved by drawing relatively cold water from the hot liquid system on board the offshore installation. This takes place through the pipeline 32, and the water is passed through one or more heat exchangers in the exhaust gas cooler 11, after which hot water goes to the heating fluid system through the pipeline 33. In this embodiment, the exergy of the coolant is thus used to provide hot water in the offshore installation instead of producing electrical energy.
En annen forskjell relativt eksemplene 1 og 2 er at rørledningen 4 for restluft (i hovedsaken nitrogen) fra luftsepareringsenheten 2 er forbundet med kompressoren 28 for bruk av inertgassen som trykkforsterker i olje/gassreservoaret. 1 kg metan krever ca. 4 kg O2når den forbrennes med et støkiometrisk forhold, og vil produsere ca. 2,75 kg CO2. Luftsepareringsenheten produserer ca. 3,3 kg restluft for hvert kg oksygen, slik at derved den totale mengden av inertgass (restluft og CO2) som kan innføres i reservoaret for hver kg forbrent metan, vil utgjøre ca.15,9 kg. Antar man lik temperatur og trykk for utstrukket metan og injisert inertgass, og at idealgassloven gjelder, vil hver uttrukket volumenhet metan fra reservoaret produsere ca. 9 inertgassvolumenheter. Another difference compared to examples 1 and 2 is that the pipeline 4 for residual air (mainly nitrogen) from the air separation unit 2 is connected to the compressor 28 for use of the inert gas as a pressure booster in the oil/gas reservoir. 1 kg of methane requires approx. 4 kg O2 when burned with a stoichiometric ratio, and will produce approx. 2.75 kg of CO2. The air separation unit produces approx. 3.3 kg of residual air for each kg of oxygen, so that the total amount of inert gas (residual air and CO2) that can be introduced into the reservoir for each kg of methane burned will amount to approximately 15.9 kg. Assuming the same temperature and pressure for extracted methane and injected inert gas, and that the ideal gas law applies, each extracted volume unit of methane from the reservoir will produce approx. 9 inert gas volume units.
Eksempel 4 Example 4
Denne utførelsen bruker en mellomkjøler i kompressoren 9 for delkondensering av vanninnholdet i avgassen. I dette tilfellet er kompressoren 9 utformet med to kompresjonstrinn, med mellomkjøleren og kondensatoren anordnet mellom det første og andre kompresjonstrinnet. Denne utførelsen oppnår en reduksjon av det totale kompresjonsarbeidet som følge av den reduserte massestrømmen i nedstrømskompressorene. I tillegg muliggjøres det en justering av CO2/H2O-forholdet i den gassen som resirkuleres til brenneren, og således for arbeidsmediet i hele primærkraftprosessen. This design uses an intercooler in the compressor 9 for partial condensation of the water content in the exhaust gas. In this case, the compressor 9 is designed with two compression stages, with the intercooler and condenser arranged between the first and second compression stages. This design achieves a reduction of the total compression work due to the reduced mass flow in the downstream compressors. In addition, it enables an adjustment of the CO2/H2O ratio in the gas that is recycled to the burner, and thus for the working medium in the entire primary power process.
Denne utførelsen er skjematisk vist i fig. 4. Her er kompressoren 9 utformet med to trinn 9a og 9b, med en mellom trinnene anordnet kondensator 14a. Kondensatet tas ut som en strøm 16a (ikke vist i figuren). Kondensatoren kjøles med kjølemedium ved ca. 20 °C fra rørledningen 24, og kjølemediet oppvarmes til ca. 100 °C i kondensatoren 14b og går så til ekspanderingsinnretningen 19. This embodiment is schematically shown in fig. 4. Here, the compressor 9 is designed with two stages 9a and 9b, with a condenser 14a arranged between the stages. The condensate is taken out as a stream 16a (not shown in the figure). The condenser is cooled with refrigerant at approx. 20 °C from pipeline 24, and the coolant is heated to approx. 100 °C in the condenser 14b and then goes to the expanding device 19.
Rotasjonsmaskineri så som gassturbiner krever vanligvis betydelig tid og store ressurser for utviklingen. Det vil derfor kunne være meget dyrt å utvikle slikt utstyr for gassblandinger som har egenskaper som avviker sterkt fra de vanlig anvendte gassene (normalt dominert av luft). Det kan derfor være fordelaktig å ha en mulighet for justering av arbeidsmediet i prosessen, slik at dets egenskaper ville ligge nærmere de vanlig anvendte gassene. Da kan man redusere utviklingsarbeidet. Mellomkjøleren med kondensering muliggjør en slik justering av prosessmediet. Rotating machinery such as gas turbines usually require considerable time and resources to develop. It could therefore be very expensive to develop such equipment for gas mixtures that have properties that deviate greatly from the commonly used gases (normally dominated by air). It can therefore be advantageous to have an option for adjusting the working medium in the process, so that its properties would be closer to the commonly used gases. Then you can reduce the development work. The intercooler with condensation enables such an adjustment of the process medium.
Trykknivået i mellomkjøleren 14a bestemmes i stor grad av trykket i resirkuleringsavgasstrømmen 13. Et trykk på 1 bar i strømmen 13 vil typisk gi et trykk på ca. 6 bar som en optimal verdi i mellomkjøleren 14a, og et økt trykk til eksempelvis 2 bar vil gi et høyere trykk som en optimal verdi i mellomkjøleren. Hvilke trykknivåer som skal brukes, vil være en optimeringssak i hvert tilfelle. The pressure level in the intercooler 14a is largely determined by the pressure in the recycling exhaust gas flow 13. A pressure of 1 bar in the flow 13 will typically give a pressure of approx. 6 bar as an optimal value in the intercooler 14a, and an increased pressure to, for example, 2 bar will give a higher pressure as an optimal value in the intercooler. Which pressure levels are to be used will be a matter of optimization in each case.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20100085A NO341852B1 (en) | 2007-06-27 | 2010-01-19 | Process and plant for the combined production of electrical energy and water |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US92944107P | 2007-06-27 | 2007-06-27 | |
| PCT/NO2008/000179 WO2009002179A1 (en) | 2007-06-27 | 2008-05-23 | Method and plant for combined production of electric energy and water |
| NO20100085A NO341852B1 (en) | 2007-06-27 | 2010-01-19 | Process and plant for the combined production of electrical energy and water |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NO20100085L NO20100085L (en) | 2010-01-19 |
| NO341852B1 true NO341852B1 (en) | 2018-02-05 |
Family
ID=42154100
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NO20100085A NO341852B1 (en) | 2007-06-27 | 2010-01-19 | Process and plant for the combined production of electrical energy and water |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| NO (1) | NO341852B1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10330859A1 (en) * | 2002-07-30 | 2004-02-12 | Alstom (Switzerland) Ltd. | Operating emission-free gas turbine power plant involves feeding some compressed circulated gas directly to combustion chamber, cooling/humidifying some gas before feeding to combustion chamber |
| US6945029B2 (en) * | 2002-11-15 | 2005-09-20 | Clean Energy Systems, Inc. | Low pollution power generation system with ion transfer membrane air separation |
-
2010
- 2010-01-19 NO NO20100085A patent/NO341852B1/en unknown
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10330859A1 (en) * | 2002-07-30 | 2004-02-12 | Alstom (Switzerland) Ltd. | Operating emission-free gas turbine power plant involves feeding some compressed circulated gas directly to combustion chamber, cooling/humidifying some gas before feeding to combustion chamber |
| US6945029B2 (en) * | 2002-11-15 | 2005-09-20 | Clean Energy Systems, Inc. | Low pollution power generation system with ion transfer membrane air separation |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| NO20100085L (en) | 2010-01-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Mehrpooya et al. | Introducing a novel air separation process based on cold energy recovery of LNG integrated with coal gasification, transcritical carbon dioxide power cycle and cryogenic CO2 capture | |
| US20110042968A1 (en) | Method and plant for combined production of electric energy and water | |
| US6871502B2 (en) | Optimized power generation system comprising an oxygen-fired combustor integrated with an air separation unit | |
| CN102959352B (en) | Carbon dioxide and the separation of hydrogen | |
| EA038310B1 (en) | Method for power production | |
| CN107108233B (en) | Production of low pressure liquid carbon dioxide from power generation systems and methods | |
| NO321817B1 (en) | Wastewater treatment plants | |
| CN1737351A (en) | System and method for improving efficiency of combined cycle electric power plant | |
| EA029523B1 (en) | Integrated system for power generation and lowering coemissions | |
| CN108625990B (en) | Natural gas oxygen-enriched combustion and transcritical CO2Cyclic coupled power generation system | |
| CN104160130A (en) | Power generating system and corresponding method | |
| EP1827656A1 (en) | Method for removing and recovering co2 from an exhaust gas | |
| CN105115245B (en) | The system and device and its method of liquefied carbon dioxide are trapped using cold energy of liquefied natural gas | |
| US9617875B2 (en) | Method and apparatus for achieving a high efficiency in an open gas-turbine (COMBI) process | |
| NO341515B1 (en) | Fremgangsmåte og anlegg for CO2 fangst | |
| NO333145B1 (en) | Heat integration in a CO2 capture plant | |
| Sultan et al. | Reducing the efficiency penalty of carbon dioxide capture and compression process in a natural gas combined cycle power plant by process modification and liquefied natural gas cold energy integration | |
| KR101586105B1 (en) | Thermal power plant with CO2 sequestration | |
| US20160033128A1 (en) | Power generation system and method to operate | |
| EP2850375A2 (en) | Process and apparatus for the separation of carbon dioxide and hydrogen | |
| CN110945213B (en) | Mechanical/electrical power generation system | |
| CN114382562B (en) | Shunt recompression pure oxygen combustion circulation system | |
| US10823405B2 (en) | Oxy-fuel combustion and power generation system | |
| CN105840312B (en) | A kind of liquid fuel liquid oxygen high pressure direct combustion steam power system | |
| CN111577411B (en) | LNG light hydrocarbon separation coupling enhancement type geothermal flashing organic Rankine combined cycle power generation system |