WO2005064232A1 - Wärmekraftanlage mit sequentieller verbrennung und reduziertem co2-ausstoss sowie verfahren zum bertreiben einer derartigen anlage - Google Patents

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Timothy Griffin
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Definitions

  • the invention relates to a thermal power plant, preferably a gas turbine plant, with sequential combustion and reduced CO 2 emissions, which has the following components, each of which is connected in series via at least one flow channel: a combustion air compressor unit, a first combustion chamber, a high-pressure turbine stage, and a second Combustion chamber and a low-pressure turbine stage, the second combustion chamber and / or the low-pressure turbine stage being able to be supplied with a cooling gas flow for cooling purposes. Furthermore, a method for operating a thermal power plant of the above type is described.
  • the higher the C0 2 partial pressure in the exhaust gas stream the better the efficiency of the C0 2 separation.
  • the recirculated exhaust gas being diluted with fresh air, which on the one hand increases the oxygen content of the combustion air to be compressed by the compressor unit and the CO 2 concentration of the recirculated air Exhaust gas can be reduced. Due to the lower oxygen content of the compressed mixed air resulting from the recirculated exhaust gas flow, which is fed to the burner in the further flow of the gas turbine system, in which the mixed air is converted into an ignitable fuel-air mixture by the addition of fuel and is ultimately brought to ignition in the combustion chamber.
  • combustion instabilities occur, in particular, in which the combustion takes place within the combustion chamber without any excess of oxygen.
  • combustion instabilities lead, on the one hand, to high CO emissions and, on the other hand, to the formation of thermoacoustic vibrations, which can severely impair the operation of the gas turbine system.
  • the reduced C0 2 content in the recirculated, compressed exhaust gas flow due to the mixture with combustion air leads to a lower efficiency of the C0 2 separation.
  • the invention is intended to remedy this problem and to show a way of operating gas turbine plants with which efficient CO 2 separation from the recirculated exhaust gas flow is possible without having a lasting effect on the stable burner behavior.
  • the invention is based on the object of developing a thermal power plant, preferably a gas turbine plant with sequential combustion and reduced CO 2 emissions, according to the preamble of claim 1 in such a way that the least possible, technical investment, the most efficient CO 2 separation possible from the exhaust gas stream of a gas turbine system without permanently impairing the operating behavior and in particular the emission behavior of the gas turbine system.
  • the measure according to the invention is also intended to permit the possibility of retrofitting on gas turbines which are already in operation. It is also important to specify a corresponding method for operating a gas turbine plant in this regard.
  • the solution to the problem on which the invention is based is specified in claim 1.
  • the subject of claim 16 is a method for operating a thermal power plant, preferably a gas turbine plant.
  • a thermal power plant preferably a gas turbine plant with sequential combustion and reduced CO 2 emissions
  • a thermal power plant preferably a gas turbine plant with sequential combustion and reduced CO 2 emissions
  • At least part of the compressed exhaust gas stream emerging from the cooling unit is fed as cooling gas stream via a cooling line to the second combustion chamber and / or the low-pressure turbine stage for cooling purposes, as a result of which the gas turbine components exposed to the hot gases generated within the second combustion chamber can be effectively cooled.
  • a CO 2 separator unit is provided in the cooling line, which separates at least parts of CO 2 from the cooling gas flow.
  • the invention thus essentially builds on a gas turbine system with sequential combustion, at which the recirculated exhaust gas is compressed to an intermediate pressure via a correspondingly provided compressor unit, at which the C0 2 separation takes place and which also allows the C0 2 depleted exhaust gas stream as a cooling gas stream at the intermediate pressure level for the purposes of cooling in the second combustion chamber and preferably also feed into the low pressure turbine stage.
  • the pre-compressed, recirculated exhaust gas stream is passed through a cooler before entering the C0 2 separator unit.
  • the part of the cooling gas flow used to cool the second combustion chamber is heated up again to the working temperature of the low-pressure turbine by the sequential combustion, whereby there is no loss of efficiency.
  • the firing of the second combustion chamber provides for the use of a partial oxidation, in which, in order to set a stoichiometric combustion, the second combustion chamber is combined with an oxidation unit, by means of the fuel for firing the second combustion chamber at least partially is oxidized with the release of hydrogen and is ignited with the formation of a stoichiometric fuel-oxygen mixture at least with the C0 2 depleted exhaust gas stream serving as cooling gas.
  • the hot gases emerging from the high-pressure turbine stage can be proportionally mixed with the cooling gas stream. Further details related to this can also be found in the exemplary embodiments described below.
  • the method according to the invention for operating a thermal power plant with sequential combustion and reduced CO 2 emissions is characterized in that at least a portion of the exhaust gas emerging from the low-pressure turbine stage is recirculated, compressed and fed to a CO 2 separator for the production of CO 2 and that C0 2 depleted exhaust gas stream is also provided as a cooling gas stream for cooling.
  • FIG. 2-7 schematic process diagrams for gas turbine plant designed according to the invention with sequential combustion and a C0 2 - reduced exhaust gas flow.
  • the gas turbine system essentially consists of a high-pressure turbine stage 3 and a low-pressure turbine stage 5 with a sequential combustion 4 in between.
  • Supply air L is compressed to a high pressure level in a combustion supply air compressor unit 1 via two compressor stages LP, HP.
  • this air is premixed with fuel B and burned.
  • the hot gas generated in the combustion chamber 3 is then expanded to the intermediate pressure in the high-pressure turbine stage 3. Since the hot gas originating from the first lean premix combustion still contains more than half of its original oxygen content, fuel B is again mixed in directly in front of a special sequential combustion chamber 4 and brought to ignition.
  • This reheated hot gas expands downstream to atmospheric pressure in a low-pressure turbine stage 5, the relaxed hot gases ultimately being released into the free atmosphere in the form of an exhaust gas stream A.
  • a portion of the combustion air pre-compressed in the low-pressure compressor part LP is branched off and cooled via a cooling unit KA1 and fed to the sequential combustion chamber 4 and also to the low-pressure turbine stage 5 for cooling purposes.
  • the exhaust gas A emerging from the low-pressure turbine stage 5 is recirculated via a recirculation line 6 into the supply air flow of the low-pressure compressor unit 7, in which the recirculated exhaust gas with the supply air mixed and compressed to an intermediate pressure level.
  • the recirculated exhaust gas A passes along the recirculation line 6 through a heat exchanger unit D, on which heat is transferred to a steam circuit, for example for driving a steam turbine (not shown further).
  • the recirculation line 6 provides a cooler unit KA1, in which the exhaust gas is cooled and dehumidified by condensation.
  • the exhaust gas which has been pre-compressed to intermediate pressure by the low-pressure compressor part LP, now passes via a so-called cooling line 8 into a C0 2 separating unit 9, in which a thoroughly efficient C0 2 separation takes place due to the prevailing high intermediate pressure level.
  • a further cooler unit KA2 is advantageously provided upstream of the CO 2 separator unit 9.
  • Known separation devices such as chemical absorption, for example based on MEA or physically acting separators, for example based on membranes. With the help of such C0 2 separation units, C0 2. Separator effects between 70 and 99% can be achieved.
  • the CO2-depleted exhaust gas stream emerging from the C0 2 separating unit 9 is subsequently fed to the sequential burner unit 4 and the low-pressure turbine stage 5 for cooling purposes.
  • the part of the cooling gas flow used to cool the second combustion chamber is heated up again to the working temperature of the low-pressure turbine by the sequential combustion, as a result of which there is no loss of efficiency.
  • the recirculated exhaust gas is mixed into the combustion air L to such an extent that the oxygen content in the air supply to the combustion chamber 2 is just sufficient to burn the fuel B supplied.
  • the sequential combustion takes place in the combustion chamber 4 with a lack of oxygen.
  • fuel B is first reacted with a lack of oxygen in the context of a so-called oxidation unit 11.
  • the oxidation unit 11 is advantageously designed as a catalyst unit, to which the fuel B to be oxidized and an amount of oxygen in the range between 20 and 75% of the theoretical oxygen requirement for complete oxidation of the fuel are supplied.
  • the amount of oxygen supplied takes place via the feed line 10, which branches off part of the CO 2 -enriched exhaust gas from the cooling line 8.
  • parts of the hot gases escaping from the high pressure turbine stage 3 can additionally be mixed in via the supply line 12 in the CO 2 depleted exhaust gas stream for feeding into the oxidation stage 11 ,
  • part of the hydrogen is separated from the hydrocarbon compounds of the fuel B and after the partial oxidation stage 11 is present as free hydrogen in the hot outlet mixture before entering the sequential combustion stage 4. If the hot gases emerging from the high-pressure turbine stage 3 are fed to the sequential combustion stage 4 with this gas mixture containing hydrogen components, the high temperature and the high reactivity of the hydrogen contained lead to a spontaneous reaction and the complete burnout in the form of hydrogen, CO and remaining hydrocarbons still existing fuel.
  • the high reactivity of the burner mixture leads to a stable combustion within the sequential combustion stage 4, so that the disadvantages mentioned at the outset with regard to the occurrence of thermoacoustic vibrations, high CO emissions and the extinguishing of the premix burner flame can be completely avoided.
  • the use of a fuel supply lance within the sequential combustion stage 4 is suitable, within which the reaction of the supplied fuel B required for the release of hydrogen takes place through the use of a catalyst.
  • the primary aim according to the invention is to reduce the CO 2 content of the exhaust gases released by the gas turbine system.
  • the C0 2 separation unit 9 used according to the invention in the cooling line 8 works the more effectively, the greater the CO 2 concentration supplied to the separation unit in the inflow.
  • the recirculated exhaust gas is pre-compressed by means of the low-pressure compressor part LP of the combustion air compressor unit 1.
  • the recirculated exhaust gas mixes with the supplied air L. and is thus compressed together within the low pressure compressor part LP.
  • a diluted, precompressed exhaust gas stream thus reaches the C0 2 separating unit 9.
  • a separate compressor for the recirculated exhaust gas Shaft W along which the combustion air compressor unit 1 and the high and low pressure turbine stages 3, 5 are arranged, a separate exhaust gas compressor unit 7 is provided, in which only the recirculated exhaust gas is compressed via the recirculation line 6 and via the cooler unit KA2 the C0 2 - Separation unit 9 is supplied. In this way, the high C0 2 concentration in the exhaust gas is maintained, whereby an increase in efficiency of the C0 2 separation unit 9 can be achieved.
  • the exhaust gas no longer contains oxygen and, as a result, can no longer be used for combustion, for example by partial oxidation.
  • the process diagram of the exemplary embodiment in FIG. 4 does not provide a partial oxidation stage, rather the CO 2 -reduced exhaust gas is only used for cooling purposes within the sequential combustion stage 4 and the low-pressure turbine stage 5.
  • return lines 13 are provided, via which the recirculated exhaust gas compressed in the exhaust gas compressor unit 7 is either direct, cooled or C0 2 -reduced after passing through the C0 2 separation unit 9 of the high-pressure compressor stage HP is supplied for the purpose of a metered admixture to the supply air L.
  • a bypass line 14 optionally serves to bypass the C0 2 separating unit 9 of part of the compressed and cooled recirculated exhaust gas flow in cases in which the recirculated exhaust gas flow exceeds the absorption capacity of the C0 2 separating unit 9.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment, which, comparable to the exemplary embodiment in FIG. 4, provides a separate CO 2 compressor stage 7, in addition the sequential combustion takes place by means of a partial oxidation, the amount of oxygen supplied to the partial oxidation stage 11 via a bypass line 15 takes place, which, downstream of the low-pressure compressor part LP, enables a specific discharge of part of the pre-compressed supply air L into the oxidation unit 11, in which the fuel is partially oxidized with the release of hydrogen. It would also be possible, alternatively or in combination with the bypass line 15, via the line 12 from the high-pressure turbine stage 3 to use escaping hot gases from the oxidation unit 11 to carry out the partial oxidation of the fuel B.
  • All of the exemplary embodiments described above relate to gas turbine systems, along the single shaft W of which the generator unit G, the combustion air compressor unit 1 and the high-pressure turbine stage 3 and low-pressure turbine stage 5 are arranged. In cases in which the recirculated exhaust gas is compressed in a separate exhaust gas compressor unit 7, this is also attached along the common shaft W.
  • FIG. 6 A process diagram of such a gas turbine system is shown in FIG. 6. If the process diagram described in FIG. 2 is used as the basis, the gas turbine system according to FIG. 6 differs in that a second shaft W is provided, which is separated from a separate gas turbine, consisting of the high-pressure turbine part 3 'and low-pressure turbine part 5' is driven. The high-pressure turbine part 3 'and the low-pressure turbine part 5' are each charged with hot gases, which each emerge from the combustion chambers 2 'and 4'.
  • the high-pressure compressor stage HP ' is likewise supplied, like the high-pressure compressor stage HP, by the pre-compressed supply air L, which originates from the low-pressure compressor stage LP of the combustion supply air compressor unit 1.
  • the recirculated exhaust gas which is fed via the recirculation line 6 to the low-pressure compressor stage LP 'of the combustion air compressor unit 1' and compressed to an intermediate pressure, is not admixed to the combustion air supply, but is fed exclusively into the CO 2 separator unit 9 via a cooled discharge line.
  • the C0 2 separator unit Due to the separate compression of the recirculated exhaust gas in the context of the low-pressure compressor stage LP ', the C0 2 separator unit is supplied with a highly compressed and, above all, high-concentration C0 exhaust gas stream, from which C0 can be separated very efficiently.
  • the significantly reduced C0 2 exhaust gas flow is also, as already described in the above exemplary embodiments, supplied for cooling purposes to the sequential combustion chamber 4 and 4 'and also to the low-pressure turbine stages 5 and 5'.
  • the CO 2 portion of the exhaust gas stream A emerging from the gas turbine system can be significantly reduced, but a complete CO 2 separation from the exhaust gas stream escaping into the free atmosphere is not possible due to the system.
  • exhaust gas components from the low-pressure turbine stage 5 are contained in the exhaust gas stream A and remain in the exhaust gas stream due to the lack of recirculation.
  • the last exemplary embodiment according to FIG. 7 provides for the use of partial oxidation.
  • the process diagram shown in FIG. 7 is a further development of the process diagram shown in FIG. 6 in the sense of the partial oxidation described with reference to FIG. 5.
  • bypass line 15, 15 ' also serves for the targeted supply of oxygen within the range of between 20 and 75% of the theoretical oxygen requirement for complete oxidation, which in connection with the hydrogen release due to the catalytic fuel conversion leads to a reactive, ignitable mixture , which ensures a stable combustion process.

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Abstract

Beschrieben wird eine Wärmekraftlanlage mit sequentieller Verbrennung und reduziertem CO2-Ausstoss, die folgende über jeweils wenigstens einen Strömungskanal (S) in Serie miteinander verbundene Komponenten aufweist: eine Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit (1), eine erste Brennkammer (2), eine Hochdruckturbinenstufe (3), eine zweite Brennkammer (4) sowie eine Niederdruckturbinenstufe (5), wobie die zweite Brennkammer (4) und/oder die Niederdruckturbinenstufe (5) zu Kühlzwecken mit einem Kühlgasstrom versorgbar sind. Ferner wird ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Wärmekraftanlage beschrieben. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Rezirkulationsleitung (6) vorgesehen ist, die wenigstens einen Teil eines aus der Niederdruckturbinenstufe (5) austretenden Abgasstroms einer Verdichtereinheit (7) zuführt, dass eine Kühlleitung (8) vorgesehen ist, die wenigstens einen Teil des aus der Verdichtereinheit (7) austretenden komprimierten Abgasstroms als Kühlsgasstrom der zweiten Brennkammer (4) und/oder der Niederdruckturbinenstufe (5) zu Kühlzwecken zuführt, und dass in der Kühlleitung (8) eine CO2-Abscheideenheit (9) vorgesehen ist, die zumindest Anteile von CO2 aus dem Kühlgasstrom separiert.

Description

Wärmekraftanlage mit sequentieller Verbrennung und reduziertem CO2- Ausstoß sowie Verfahren zum Bertreiben einer derartigen Anlage
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmekraftanlage, vorzugsweise eine Gasturbinenanlage, mit sequentieller Verbrennung und reduziertem C02-Ausstoß, die folgende über jeweils wenigstens einen Strömungskanal in Serie miteinander verbundene Komponenten aufweist: eine Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit, eine erste Brennkammer, eine Hochdruckturbinenstufe, eine zweite Brennkammer sowie eine Niederdruckturbinenstufe, wobei die zweite Brennkammer und/oder die Niederdruckturbinenstufe zu Kühlzwecken mit einem Kühlgasstrom versorgbar sind. Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben eine Wärmekraftanlage der vorstehenden Art beschrieben.
Stand der Technik
Im Rahmen des Klimaschutzes sind seit geraumer Zeit Bestrebungen im Gange die Emission von Treibhausgasen, insbesondere von C02 in die Atmosphäre zu vermindern. Hierzu sind bereits eine Vielzahl von Vorstößen unternommen worden, durch die eine teilweise bis vollständige Abscheidung des bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugten C02 erreicht wird. Besonderes Interesse gilt dabei der Erzeugung elektrischer Energie durch Befeuerung von Brennkammern zum Antrieb von Gasturbinenanlagen, deren Abgasemissionsvermögen einen nicht unbeträchtlichen Anteil an dem antropogen in die Atmosphäre ausgebrachten Emissionsvolumen ausmacht. Im Bestreben den durch Gasturbinenanlagen verursachten C02-Austrag in die freie Atmosphäre zu verringern, sind Techniken zur C02-Abscheidung aus den Abgasströmen von Gasturbinenanlagen bekannt, die im Wege einer Rezirkulation des Abgasstromes eine C02 Abscheidung unter möglichst hohem Druck bewirken. Grundsätzlich gilt, je höher der C02-Partialdruck im Abgasstrom, umso besser ist die Effizienz der C02-Abscheidung. Zur Druckerhöhung des Abgasstromes wird dieser in an sich bekannter Weise mittels der Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit der Gasturbinenanlage komprimiert, wobei das rezirkulierte Abgas mit Frischluft verdünnt wird, wodurch einerseits der Sauerstoffgehalt der im Wege der Kompressoreinheit zu verdichtenden Verbrennungszuluft als auch die Cθ2-Konzentration des rezirkulierten Abgases reduziert werden. Durch den geringeren Sauerstoffgehalt der durch die rezirkulierte Abgasführung entstehenden komprimierten Mischluft, die im weiteren Strömungsverlauf der Gasturbinenanlage dem Brenner zugeführt wird, in dem die Mischluft durch Beimischung von Brennstoff in ein zündfähiges Brennstoff- Luftgemisch überführt wird und letztlich in der Brennkammer zur Zündung gebracht wird, kommt es insbesondere in Fällen zu so genannten Verbrennungsinstabilitäten, in denen die Verbrennung innerhalb der Brennkammer ohne jeglichen Sauerstoffüberschuss erfolgt. Derartige Verbrennungsinstabilitäten führen einerseits zu hohen CO-Emissionen und andererseits zur Ausbildung thermoakustischer Schwingungen, die den Betrieb der Gasturbinenanlage stark beeinträchtigen können. Andererseits führt der durch die Mischung mit Verbrennungszuluft verringerte C02- Gehalt in der rezirkulierten, verdichteten Abgasströmung zu einer geringeren Effizienz der C02-Abscheidung. Hierzu soll die Erfindung Abhilfe schaffen und einen Weg zum Betreiben von Gasturbinenanlagen aufzeigen, mit dem eine effiziente C02- Abscheidung aus der rezirkulierten Abgasströmung möglich wird, ohne dabei das stabile Brennerverhalten nachhaltig zu beeinflussen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmekraftanlage vorzugsweise einer Gasturbinenanlage mit sequentieller Verbrennung und reduziertem C02- Ausstoß gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 derart weiterzubilden, dass mit einem möglichst geringen, anlagetechnischen Aufwand eine möglichst effiziente Cθ2-Abscheidung aus dem Abgasstrom einer Gasturbinenanlage möglich wird, ohne dabei das Betriebsverhalten und insbesondere das Emissionsverhalten der Gasturbinenanlage nachhaltig zu beeinträchtigen. Die erfindungsgemäße Maßnahme soll überdies die Möglichkeit der Retrofitierbarkeit an bereits in Betrieb befindlichen Gasturbinen gestatten. Femer gilt es, ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer diesbezüglichen Gasturbinenanlage anzugeben.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 16 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Warmekraftanlage, vorzugsweise Gasturbinenanlage. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche und insbesondere der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist eine Wärmekraftanlage, vorzugsweise Gasturbinenanlage mit sequentieller Verbrennung und reduziertem Cθ2-Ausstoß, die folgende über jeweils wenigstens einen Strömungskanal in Serie miteinander verbundene Komponenten aufweist: eine Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit, eine erste Brennkammer, eine Hochdruckturbinenstufe, eine zweite Brennkammer sowie eine Niederdruckturbinenstufe, wobei die zweite Brennkammer und/oder die Niederdruckturbinenstufe zu Kühlzwecken mit einem Kühlgasstrom versorgbar sind, derart weitergebildet, dass eine Rezirkulationsleitung vorgesehen ist, die wenigstens einen Teil eines aus der Niederdruckturbinenstufe austretenden Abgasstromes einer Kühleinheit zuführt. Wenigstens ein Teil des aus der Kühleinheit austretenden komprimierten Abgasstromes wird als Kühlgasstrom über eine Kühlleitung der zweiten Brennkammer und/oder der Niederdruckturbinenstufe zu Kühlzwecken zugeführt, wodurch die mit den innerhalb der zweiten Brennkammer entstehenden Heißgasen exponierten Gasturbinenkomponenten effektiv gekühlt werden können. Überdies ist in der Kühlleitung eine C02-Abscheideeinheit vorgesehen, die zumindest Teile von C02 aus dem Kühlgasstrom separiert. Die Erfindung baut somit im Wesentlichen auf einer Gasturbinenanlage mit sequentieller Verbrennung auf, bei der das rezirkulierte Abgas über eine entsprechend vorgesehene Verdichtereinheit auf einen Zwischendruck komprimiert wird, auf dem die C02-Separation erfolgt und der es überdies gestattet, den C02 abgereicherten Abgasstrom als Kühlgasstrom auf dem Zwischendruckniveau zu Zwecken der Kühlung in die zweite Brennkammer sowie vorzugsweise auch in die Niederdruckturbinenstufe einzuspeisen. Zu Zwecken einer effektiven Kühlung wird der vorverdichtete, rezirkulierte Abgasstrom vor Eintritt in die C02-Abscheideeinheit durch einen Kühler geleitet. Der zur Kühlung der zweiten Brennkammer benutzte Teil des Kühlgasstroms wird durch die sequentielle Verbrennung wieder auf die Arbeitstemperatur der Niederdruckturbine erwärmt, wodurch kein Wirkungsgradverlust entsteht. Weitere Einzelheiten können den Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren entnommen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sieht die Befeuerung der zweiten Brennkammer, der so genannten sequentiellen Brennerstufe, den Einsatz einer partiellen Oxidation vor, bei der zur Einstellung einer stöchiometrischen Verbrennung die zweite Brennkammer mit einer Oxidationseinheit kombiniert ist, durch die Brennstoff zur Befeuerung der zweiten Brennkammer wenigstens teilweise unter Freisetzung von Wasserstoff oxidiert wird und zumindest mit dem als Kühlgas dienenden C02 abgereicherten Abgasstrom unter Ausbildung eines stöchiometrischen Brennstoff-Sauerstoffgemisches zur Zündung gebracht wird. Je nach vorhandenem Sauerstoffgehalt innerhalb des gekühlten, Cθ2-abgereicherten Abgasstromes kann anteilsmäßig die aus der Hochdruckturbinenstufe austretenden Heißgase dem Kühlgasstrom beigemischt werden. Auch in diesem Zusammenhang stehende, weitere Einzelheiten können den im Weiteren beschriebenen Ausführungsbeispielen entnommen werden.
Grundsätzlich ist es möglich, die Verdichtung des rezirkulierten Abgasstromes im Rahmen eines Niederdruckkompressorteils der Verbrennungszuluft- Kompressoreinheit vorzunehmen, wobei jedoch eine Zumischung mit Frischluft die Folge ist, mit den eingangs beschriebenen Nachteilen. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform dient eine extra für die Komprimierung des rezirkulierten Abgasstromes vorgesehene Abgasverdichtereinheit zur Drucksteigerung des Abgasstromes auf ein bestimmtes Zwischendruckniveau zur weiteren Einspeisung als Kühlgasströmung in die vorstehend beschriebene sequentielle Verbrennereinheit sowie in die Niederdruckturbinenstufe.
Somit zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftanlage mit sequentieller Verbrennung und reduziertem C02-Ausstoß dadurch aus, dass wenigstens ein Teil des aus der Niederdruckturbinenstufe austretenden Abgases rezirkuliert, verdichtet und einer Cθ2-Abscheidung zur Gewinnung von C02 zugeführt wird und dass der C02 abgereicherte Abgasstrom zugleich auch als Kühlgasstrom zur Kühlung bereitgestellt wird.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 an sich bekannte Gasturbine mit sequentieller Verbrennung (Stand der Technik),
Fig. 2-7 schematisierte Prozessschemata für erfindungsgemäß ausgebildete Gasturbinenanlage mit sequentieller Verbrennung und einem C02- reduziertem Abgasstrom.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Fig. 1 ist ein schematisiertes vereinfachtes Prozessschema einer an sich bekannten Gasturbinenanlage mit sequentieller Verbrennung dargestellt. Die Gasturbinenanlage besteht im Wesentlichen aus einer Hochdruckturbinenstufe 3 sowie einer Niederdruckturbinenstufe 5 mit einer dazwischen liegenden sequentiellen Verbrennung 4. Zuluft L wird in einer Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit 1 über zwei Kompressorstufen LP, HP auf ein hohes Druckniveau verdichtet. In einer Standardbrennkammer 2 wird diese Luft mit Brennstoff B vorgemischt und verbrannt. Das in der Brennkammer 3 erzeugte Heißgas wird anschließend in der Hochdruckturbinenstufe 3 auf den Zwischendruck entspannt. Da das aus der ersten mageren Vormischverbrennung stammende Heißgas noch mehr als die Hälfte seines ursprünglichen Sauerstoffgehaltes enthält, wird nochmals Brennstoff B unmittelbar vor einer speziellen sequentiellen Brennkammer 4 zugemischt und zur Zündung gebracht. Dieses nochmals erhitzte Heißgas entspannt sich stromab in einer Niederdruckturbinenstufe 5 auf Atmosphärendruck, wobei letztlich die entspannten Heißgase in Form eines Abgasstromes A in die freie Atmosphäre freigesetzt werden. In besonders vorteilhafter Weise wird ein Teil der in den Niederdruckkompressorteil LP vorverdichteten Verbrennungszuluft abgezweigt und über eine Kühleinheit KA1 gekühlt und zu Kühlzwecken der sequentiellen Brennkammer 4 sowie auch der Niederdruckturbinenstufe 5 zugeleitet.
Ausgehend von der vorstehend beschriebenen, an sich bekannten gestuft betriebenen Gasturbinenanlage mit sequentieller Verbrennung wird gemäß Ausführungsbeispiel in Fig. 2 das aus der Niederdruckturbinenstufe 5 austretende Abgas A über eine Rezirkulationsleitung 6 in den Zuluftstrom der Niederdruckkompressoreinheit 7 rezirkuliert, in der das rezirkulierte Abgas mit der Zuluft gemischt und auf ein Zwischendruckniveau verdichtet wird. In vorteilhafter Weise tritt das rezirkulierte Abgas A längs der Rezirkulationsleitung 6 durch eine Wärmetauschereinheit D hindurch, an der ein Wärmeübergang zu einem Dampfkreislauf, beispielsweise zum Antrieb einer nicht weiter dargestellten Dampfturbine, erfolgt. Des Weiteren sieht die Rezirkulationsleitung 6 eine Kühlereinheit KA1 vor, in der zum einen das Abgas gekühlt und im Wege einer Kondensation entfeuchtet wird.
Das durch den Niederdruckkompressorteil LP auf Zwischendruck vorverdichtete Abgas gelangt nun über eine so genannte Kühlleitung 8 in eine C02- Abscheideeinheit 9, in der aufgrund des vorherrschenden hohen Zwischendruckniveaus eine durchaus effiziente C02-Abscheidung erfolgt. In vorteilhafter Weise ist stromauf zur Cθ2-Abscheideeinheit 9 eine weitere Kühlereinheit KA2 vorgesehen. Für die Cθ2-Abscheideeinheit eignen sich an sich bekannte Abscheidevorrichtungen wie beispielsweise chemische Absorption, z.B. auf Basis von MEA oder physikalisch wirkende Abscheider, z.B. auf Basis von Membranen. Mit Hilfe derartiger C02-Abscheideeinheiten können C02.Separatorwirkungen zwischen 70 und 99% erzielt werden. Der aus der C02- Abscheideeinheit 9 austretende CO2 abgereicherte Abgasstrom wird im Weiteren zu Kühlzwecken der sequentiellen Brennereinheit 4 sowie der Niederdruckturbinenstufe 5 zugeleitet. Wobei der zur Kühlung der zweiten Brennkammer benutzte Teil des Kühlgasstroms durch die sequentielle Verbrennung wieder auf die Arbeitstemperatur der Niederdruckturbine erwärmt wird, wodurch kein Wirkungsgradverlust entsteht.
Solange die sequentielle Verbrennerstufe 4 mit Sauerstoffüberschuss betrieben wird, bildet sich eine aerodynamisch stabile Vormischflammenfront innerhalb der Brennkammer aus, d.h. der Verbrennungsvorgang erfolgt stabil. Wird jedoch die rezirkulierte Abgasmenge in einem Maße erhöht, bei dem der Sauerstoffgehalt in der der ersten Brennkammer 2 zugeführten, hochverdichteten Verbrennungsluft gerade noch zur vollständigen Verbrennung des zugeführten Brennstoffes B ausreicht, so erfolgt die Verbrennung in der sequentiellen Verbrennerstufe 4 bei einem noch geringeren Eintrittsauerstoffgehalt ohne Sauerstoffüberschuss. Dieser Zustand ist zwar aus Gründen eines besonders hohen C02-Abscheidegrades bei einer maximal möglichen Abgasrezirkulation besonders wünschenswert. Zudem kommt, dass bei einer derartigen Betriebsweise der minimale Sauerstoffgehalt innerhalb der jeweiligen Verbrennungszonen zu sehr geringen NOx-Emissionswerten führt. Jedoch treten bei diesen Verbrennungsbedingungen erfahrungsgemäß Verbrennungsinstabilitäten auf, beispielsweise in Form thermoakustischer Schwingungen, hohen CO-Emissionen sowie auch dem plötzlichen Verlöschen der Vormischflamme. Um diesen negativen Verbrennungserscheinungen entgegen zu treten und zugleich die beschriebenen Vorteile einer Verbrennung unter stöchiometrischen Sauerstoffbedingungen nutzen zu können, bedient man sich der so genannten partiellen Oxidation. In diesem Zusammenhang sei auf das Ausführungsbeispiel in Fig. 3 verwiesen, in dem ein Prozessschema für eine Gasturbinenanlage dargestellt ist, die mit Ausnahme einer an der sequentiellen Verbrennerstufe 4 vorgenommenen Modifikation im Übrigen mit dem in Fig. 2 dargestellten Prozessschema identisch ist. Bezüglich Erklärungen von Bezugszeichen, die bereits in Fig. 2 erläutert worden sind, wird, um Wiederholungen zu vermeiden, auf das entsprechende vorstehende Ausführungsbeispiel verwiesen.
Es sei im Weiteren angenommen, dass die Beimischung des rezirkulierten Abgases in die Verbrennungszuluft L in einem Maße erfolgt, bei dem der Sauerstoffgehalt in der Zuluft der Brennkammer 2 gerade noch zur Verbrennung des zugeführten Brennstoffes B ausreicht. Wie vorstehend erläutert erfolgt die sequentielle Verbrennung in der Brennkammer 4 unter Sauerstoffmangel. Um die damit verbundenen, vorstehend beschriebenen Nachteile zu vermeiden, wird Brennstoff B zunächst unter Sauerstoffmangel im Rahmen einer so genannten Oxidationseinheit 11 zur Reaktion gebracht. Die Oxidationseinheit 11 ist in vorteilhafter Weise als Katalysatoreinheit ausgeführt, der zum einen der zu oxidierende Brennstoff B und zum anderen eine Sauerstoffmenge im Bereich zwischen 20 und 75% des theoretischen Sauerstoffbedarfes für eine vollständige Oxidation des Brennstoffes zugeführt wird. Die zugeführte Sauerstoffmenge erfolgt über die Zuleitung 10, die einen Teil des C02-abgereicherten Abgases aus der Kühlleitung 8 abzweigt. Sollte der im Cθ2-abgereicherten Abgasstrom enthaltene Sauerstoffgehalt nicht den geforderten Sauerstoffgehalt zur Durchführung einer partiellen Oxidation entsprechen, so können zusätzlich Teile des aus der Hochdruckturbinenstufe 3 austretenden Heißgase über die Zuleitung 12 im C02-abgereicherten Abgasstrom zur Einspeisung in die Oxidationsstufe 11 beigemischt werden.
Durch die partielle Oxidation innerhalb der Oxidationsstufe 11 wird aus den Kohlenwasserstoffverbindungen des Brennstoffes B ein Teil des Wasserstoffes abgetrennt und liegt nach der partiellen Oxidationsstufe 11 als freier Wasserstoff in der heißen Austrittsmischung vor Eintritt in die sequentielle Brennstufe 4 vor. Werden nun die aus der Hochdruckturbinenstufe 3 austretenden Heißgase mit dieser Wasserstoffanteile enthaltenden Gasmischung der sequentiellen Brennstufe 4 zugeführt, so kommt es durch die hohe Temperatur und die hohe Reaktivität des enthaltenen Wasserstoffes zu einer spontanen Reaktion und dem vollständigen Ausbrand des in Form von Wasserstoff, CO und restlichen Kohlenwasserstoffen noch vorhandenen Brennstoffes. In besonders vorteilhafter Weise führt die hohe Reaktivität des Brennergemisches zu einer sich stabil ausbildenden Verbrennung innerhalb der sequentiellen Brennstufe 4, so dass die eingangs erwähnten Nachteile hinsichtlich des Auftretens von thermoakustischen Schwingungen, hohen CO- Emissionen sowie dem Verlöschen der Vormischbrennerflamme vollständig vermieden werden können.
In einer vorteilhaften Ausführungsform zur Durchführung der partiellen Oxidation eignet sich der Einsatz einer Brennstoffzuführungslanze innerhalb der sequentiellen Brennstufe 4, innerhalb der die zur Freisetzung von Wasserstoff erforderliche Reaktion des zugeführten Brennstoffes B durch den Einsatz eines Katalysators erfolgt.
Zwar dienen die vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur Optimierung der in den Brennkammern 2 und 4 erfolgenden Verbrennungsprozesse, doch gilt es erfindungsgemäß in erster Linie, den C02-Gehalt der von der Gasturbinenanlage freigesetzten Abgase zu reduzieren. Die erfindungsgemäß in die Kühlleitung 8 eingesetzte C02-Abscheideeinheit 9 arbeitet umso effektiver, je größer die der Abscheideeinheit zugeführte Cθ2-Konzentration in der Zuströmung ist. Um hierfür Sorge zu tragen, erfolgt in den Ausführungsbeispielen gemäß der Fig. 2 und 3 eine Vorverdichtung des rezirkulierten Abgases mittels des Niederdruckkompressorteils LP der Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit 1. Nachteilhaft bei dieser Ausführungsform ist es jedoch, dass das rezirkulierte Abgas mit der zugeführten Zuluft L vermischt und somit gemeinsam innerhalb des Niederdruckkompressorteils LP verdichtet wird. Somit gelangt ein verdünnter, vorverdichteter Abgasstrom in die C02-Abscheideeinheit 9. Um diesen „Verdünnungseffekt" zu vermeiden, wird unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel in Fig. 4 vorgeschlagen, einen separaten Kompressor für das rezirkulierte Abgas zu verwenden. Hierzu ist auf einer gemeinsamen Welle W, längs der der Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit 1 sowie die Hoch- und Niederdruckturbinenstufe 3, 5 angeordnet sind, eine separate Abgasverdichtereinheit 7 vorgesehen, in der ausschließlich das rezirkulierte Abgas über die Rezirkulationsleitung 6 komprimiert und über die Kühlereinheit KA2 der C02- Abscheideeinheit 9 zugeführt wird. Auf diese Weise bleibt die hohe C02- Konzentration im Abgas erhalten, wodurch eine Effizienzsteigerung der C02- Abscheideeinheit 9 erzielt werden kann. Im Falle einer stöchiometrischen Betriebsweise des Verbrennungsprozesses, wie vorstehend beschrieben, enthält das Abgas keinen Sauerstoff mehr und kann infolgedessen auch nicht mehr zur Verbrennung, beispielsweise im Wege einer partiellen Oxidation, genutzt werden. Somit sieht das Prozessschema des Ausführungsbeispiels in Fig. 4 keine partielle Oxidationsstufe vor, vielmehr wird das Cθ2-reduzierte Abgas nur noch zu Kühlzwecken innerhalb der sequentiellen Verbrennerstufe 4 sowie der Niederdruckturbinenstufe 5 genutzt. Zur Einstellung der stöchiometrischen Betriebsweise der Verbrennungsprozesse innerhalb der Brennkammern 2, 4 sind Rückführleitungen 13 vorgesehen, über die das im Rahmen der Abgasverdichtereinheit 7 komprimierte rezirkulierte Abgas entweder direkt, gekühlt oder C02-reduziert nach Durchtritt durch die C02-Abscheideeinheit 9 der Hochdruckkompressorstufe HP zugeführt wird, zu Zwecken einer dosierten Beimischung zur Zuluft L.
Optional dient eine Umgehungsleitung 14 zur Überbrückung der C02- Abscheideeinheit 9 eines Teils des verdichteten und gekühlten rezirkulierten Abgasstromes in Fällen, in denen der rezirkulierte Abgasstrom die Aufnahmekapazität der C02-Abscheideeinheit 9 übersteigt.
In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, das vergleichbar mit dem Ausführungsbeispiel in Fig.4 eine separate C02-Verdichterstufe 7 vorsieht, zusätzlich erfolgt die sequentielle Verbrennung im Wege einer partiellen Oxidation, wobei die der partiellen Oxidationsstufe 11 zugeführte Sauerstoffmenge über eine Bypassleitung 15 erfolgt, die stromab zum Niederdruck-Kompressorteil LP eine gezielte Ableitung eines Teils der vorkomprimierten Zuluft L in die Oxidationseinheit 11 ermöglicht, in der der Brennstoff unter Freisetzung von Wasserstoff partiell oxidiert wird. Ebenso wäre es möglich, alternativ oder in Kombination zur Bypassleitung 15 über die Zuleitung 12 aus der Hochdruckturbinenstufe 3 austretende Heißgase der Oxidationseinheit 11 zur Durchführung der partiellen Oxidation des Brennstoffes B zu nutzen.
Alle vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen Gasturbinenanlagen, längs deren einzige Welle W die Generatoreinheit G, die Verbrennungszuluft- Kompressoreinheit 1 sowie die Hochdruckturbinenstufe 3 und Niederdruckturbinenstufe 5 angeordnet sind. In Fällen, in denen das rezirkulierte Abgas in einer separaten Abgasverdichtereinheit 7 komprimiert wird, ist auch diese längs der gemeinsamen Welle W angebracht.
Nicht zuletzt aus Gründen einer leichteren Retrofitierbarkeit der erfindungsgemäßen Maßnahme an bereits in Betrieb befindlichen Gasturbinenanlagen, bietet es sich an, die Verdichtereinheit, mit der das rezirkulierte Abgas komprimiert wird, auf einer getrennt angetriebenen Welle anzubringen. Ein Prozessschema einer derartigen Gasturbinenanlage ist in Fig. 6 dargestellt Legt man zunächst einmal das in Fig. 2 beschriebene Prozessschema zugrunde, so unterscheidet sich die Gasturbinenanlage gemäß Fig. 6 dadurch, dass zusätzlich eine zweite Welle W vorgesehen ist, die von einer getrennten Gasturbine, bestehend aus dem Hochdruckturbinenteil 3' und Niederdruckturbinenteil 5' angetrieben wird. Der Hochdruckturbinenteil 3' sowie Niederdruckturbinenteil 5' wird jeweils mit Heißgasen beschickt, die jeweils aus den Brennkammern 2' und 4' austreten. Zur Versorgung der Brennkammern 2' und 4' mit der für die Verbrennung erforderlichen Verbrennungszuluft wird die Hochdruckkompressorstufe HP' gleichfalls wie die Hochdruckkompressorstufe HP von der vorkomprimierten Zuluft L, die aus der Niederdruckkompressorstufe LP der Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit 1 herrührt, versorgt. Hingegen wird das rezirkulierte Abgas, das über die Rezirkulationsleitung 6 der Niederdruckkompressorstufe LP' der Verbrennungszuluft- Kompressoreinheit 1' zugeführt und auf einen Zwischendruck komprimiert wird nicht der Verbrennungszuluft beigemischt, sondern ausschließlich über eine gekühlte Ableitung in die Cθ2-Abscheideeinheit 9 geleitet. Durch die getrennte Kompression des rezirkulierten Abgases im Rahmen der Niederdruckkompressorstufe LP' wird der C02-Abscheideeinheit ein hoch verdichteter und vor allem konzentrationsreicher C0 -Abgasstrom zugeführt, aus dem höchst effizient C0 abgeschieden werden kann. Der deutlich an C02-reduzierte Abgasstrom wird ebenfalls, wie bereits in den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschrieben, zu Kühlzwecken der sequentiellen Brennkammer 4 sowie 4' sowie auch den Niederdruckturbinenstufen 5 sowie auch 5' zugeführt.
Mit Hilfe der in Fig. 6 dargestellten Gasturbinenanlage kann der C02-Anteil des aus der Gasturbinenanlage austretenden Abgasstrom A zwar deutlich reduziert werden, eine vollständige Cθ2-Separation aus dem in die freie Atmosphäre austretenden Abgasstromes ist jedoch systembedingt nicht möglich. Dies liegt daran, dass Abgasanteile aus der Niederdruckturbinenstufe 5 im Abgasstrom A enthalten sind, die aufgrund fehlender Rezirkulation im Abgasstrom verbleiben. Um jedoch auch diese Anteile möglichst gering zu halten, sieht das letzte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 den Einsatz der partiellen Oxidation vor. Das in Fig. 7 dargestellte Prozessschema ist eine Weiterbildung des in Fig. 6 dargestellten Prozessschemas im Sinne der unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschriebenen partiellen Oxidation. Auch im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 dient die Bypassleitung 15, 15' zur gezielten Sauerstoffzufuhr im Rahmen zwischen 20 und 75% des theoretischen Sauerstoffbedarfes für eine vollständige Oxidation, die in Verbindung mit der Wasserstofffreisetzung bedingt durch die katalytische Brennstoffumsetzung zu einem reaktiven, zündfähigen Gemisch führt, das einen stabilen Verbrennungsprozess gewährleistet.
Bezugszeichenliste
1 , 1' Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit
2, 2' Erste Brennkammer
3, 3' Hochdruckturbinenstufe
4, 4' Zweite Brennkammer, sequentielle Brennkammer
5, 5' Niederdruckturbinenstufe
6 Rezirkulationsleitung
7 Verdichtereinheit
8 Kühlleitung
9 Cθ2-Abscheideeinheit
10 Ableitung
11 Oxidationseinheit
12 Ableitung
13 Rückführleitung
14 Umgehungsleitung
15 Bypassleitung
A Abgas
D Wärmetauschereinsheit
KA1. KA2 Kühlereinheit
G Generator
LP, LP' Niederdruckkompressorstufe
HP, HP' Hochdruckkompressorstufe
B Brennstoff L Zuluft
S Heißgasströmung
W,W' Welle

Claims

Patentansprüche
1. Wärmekraftanlage mit sequentieller Verbrennung und reduziertem C02- Ausstoß, die folgende über jeweils wenigstens einen Strömungskanal (S) in Serie miteinander verbundene Komponenten aufweist: eine Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit (1), eine erste Brennkammer (2), eine
Hochdruckturbinenstufe (3), eine zweite Brennkammer (4) sowie eine
Niederdruckturbinenstufe (5), wobei die zweite Brennkammer (4) und/oder die
Niederdruckturbinenstufe (5) zu Kühlzwecken mit einem Kühlgasstrom versorgbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rezirkulationsleitung (6) vorgesehen ist, die wenigstens einen Teil eines aus der Niederdruckturbinenstufe (5) austretenden
Abgasstroms einer Verdichtereinheit (7) zuführt, dass eine Kühlleitung (8) vorgesehen ist, die wenigstens einen Teil des aus der
Verdichtereinheit (7) austretenden komprimierten Abgasstrαms als Kühlgasstrom der zweiten Brennkammer (4) und/oder der Niederdruckturbinenstufe (5) zu
Kühlzwecken zuführt, und dass in der Kühlleitung (8) eine Cθ2-Abscheideeinheit (9) vorgesehen ist, die zumindest Anteile von C02 aus dem Kühlgasstrom separiert.
2. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Kühlleitung (8) nach der Verdichtereinheit (7) und vor der Cθ2-Abscheideeinheit (9) eine Kühleinheit KA1 vorgesehen ist.
3. Wärmekraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit (1) eine wenigstens zweistufige Kompressoreinheit ist, die einen Niederdruck- (LP) und einen Hochdruck-(HP) Kompressorteil aufweist, und dass die Verdichtereinheit (7) dem Niederdruck-Kompressorteil (LP) der Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit (1) entspricht.
4. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der C02-Separationseinheit (9) die Kühlleitung (8) eine Ableitung (10) vorsieht, die mit einer Oxidationseinheit (11) verbunden ist, durch die Brennstoff zur Befeuerung der zweiten Brennkammer (4) unter Freisetzung von Wasserstoff partiell oxidiert wird, bevor der partiell oxidierte Brennstoff innerhalb der zweiten Brennkammer zur Zündung gebracht wird.
5. Wärmekraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hochdruckturbinenstufe (3) und der zweiten Brennkammer (4) eine Ableitung (12) im Strömungskanal (S) vorgesehen ist, die vor Eintritt in die Oxidationseinheit (11 ) in die Ableitung (10)τnündet.
6. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtereinheit (7), die Verbrennungszuluft- Kompressoreinheit (1 ), die Hoch- (3) und Niederdruckturbinenstufe (5) sowie ein Generator (G) auf einer gemeinsamen Welle (W) angeordnet sind.
7. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit (1) eine wenigstens zweistufige Kompressoreinheit ist, die einen Niederdruck- (LP) und einen Hochdruck-Kompressorteil (HP) aufweist, und dass in der Kühlleitung (8) stromauf und/oder stromab zur C02-Abscheideeinheit (9) wenigstens eine Rückführleitung (13) vorgesehen ist, die in den Hochdruck-Kompressorteil (HP) mündet.
8. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kühlleitung (8) eine die C02-Abscheideeinheit (9) überbrückende Umgehungsleitung (14) vorgesehen ist.
9. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass stromab zum Niederdruck-Kompressorteil (LP) eine Bypassleitung (15) vorgesehen ist, die mit einer Oxidationseinheit (11) verbunden ist, durch die Brennstoff zur Befeuerung der zweiten Brennkammer (4) wenigstens teilweise oxidiert wird, bevor der teilweise oxidierte Brennstoff innerhalb der zweiten Brennkammer zur Zündung gebracht wird.
10. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass längs der Rezirkulationsleitung (6) eine Kühleinheit (KA2) vorgesehen ist, die Wasser aus dem Abgasstrom ausscheidet.
11. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass längs der Rezirkulationsleitung (6) unmittelbar stromab der Niederdruckturbinenstufe (5) eine Wärmetauschereinheit D vorgesehen ist, zur Wärmeabgabe an einen Dampfkreislaus.
12. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftanlage eine gestuft betriebene Gasturbinenanlage ist.
13. Wärmekraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit (1), die Hoch- (3) und Niederdruckturbinenstufe (5) sowie ein Generator (G) auf einer gemeinsamen ersten Welle (W) und die Verdichtereinheit (7) auf einer zweiten, angetriebenen Welle angeordnet sind.
14. Wärmekraftanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass längs der zweiten Welle eine weitere Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit (1'), eine weitere Hoch- (3') und Niederruckturbinenstufe (5') sowie ein weiterer Generator (G') angeordnet sind.
15. Wärmekraftanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit (1'), die weitere Hoch- (3') und Niederruckturbinenstufe (5') sowie der weitere Generator (G') in analoger Weise angeordnet und mit einander verschaltet sind, wie die Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit (1), die Hoch- (3) und Niederruckturbinenstufe (5) sowie der Generator (G) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
16. Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftanlage mit sequentieller Verbrennung und reduziertem Cθ2-Ausstoß, die folgende über jeweils wenigstens einen Strömungskanal (S) in Serie miteinander verbundene Komponenten aufweist: eine Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit (1 ), eine erste Brennkammer (2), eine Hochdruckturbinenstufe (3), eine zweite Brennkammer (4) sowie eine Niederdruckturbinenstufe (5), wobei die zweite Brennkammer (4) und/oder die Niederdruckturbinenstufe (5) zu Kühlzwecken mit einem Kühlgasstrom versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des aus der Niederdruckturbinenstufe austretenden Abgases rezirkuliert, verdichtet und einer Cθ2-Abscheidung, zur Gewinnung von C02 zugeführt wird und dass der C02 abgereicherte Abgasstrom als Kühlgasstrom zur Kühlung bereitgestellt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlgasstrom zu Kühlzwecken der zweiten Brennkammer (4) und/oder der Niederdruckturbinenstufe (5) zugeführt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Niederdruckturbinenstufe (5) austretende Abgas einem Wärmtauscher D zur thermischen Kopplung eines Dampfkreislaufes und/oder einer Kühleinheit (KA2) zugeführt wird bevor das rezirkulierte Abgas verdichtet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das rezirkulierte Abgas zur Verdichtung gemeinsam mit der Verbrennungszuluft in die Verbrennungszuluft-Kompressoreinheit (1) eingeleitet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung gestuft erfolgt, und dass nach Erreichen einer ersten Verdichtungsstufe ein Teil des vorverdichteten Abgas-/Verbrennungszuluft-Gemisches abgezweigt, gekühlt und der C02- Abscheidung zugeführt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des C02 abgereicherten Abgasstroms mit Brennstoff gemischt wird, wobei wenigsten Teile des Brennstoffes unter Bildung von Wasserstoff oxidiert werden, bevor das Gemisch aus C02 abgereicherten Abgas und teiloxidiertem Brennstoff in der zweiten Brennkammer zur Zündung gebracht wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil eines aus der Hochdruckturbinenstufe (3) austretenden Heissgasstromes (S) mit dem CO2 angereicherten Abgasstrom vermischt wird, und dass das Gemisch aus dem Heissgasstrom und dem CO2 abgereicherten Abgasstrom mit Brennstoff gemischt und anschließend unter Freisetzung von Wasserstoff partiell oxidiert wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus C02 abgereicherten Abgas und dem teiloxidierten Brennstoff derart gewählt wird, dass der vorhandene Sauerstoffanteil etwa 20 % bis 70 % des theoretischen Sauerstoffbedarf für eine vollständige Verbrennung entspricht.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das rezirkulierte Abgas separat zur Verbrennungszuluft verdichtet, gekühlt und der C02-Abscheidung zugeführt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Abgas, das verdichtete gekühlte Abgas oder das verdichtete, gekühlte und C02 abgereicherte Abgase zumindest teilweise der vorverdichten Verbrennungszuluft beigemischt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der vorverdichteten Verbrennungszuluft mit Brennstoff gemischt wird, wobei wenigsten Teile des Brennstoffes unter Bildung von Wasserstoff oxidiert werden, bevor das Gemisch aus C02 abgereicherten Abgas und teiloxidierten Brennstoff in der zweiten Brennkammer zur Zündung gebracht wird.
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