WO2009019218A2 - Verfahren zum betrieb einer verbrennungsanlage sowie verbrennungsanlage - Google Patents

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WO2009019218A2
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Tobias Jockenhoevel
Harald Landes
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/007—Supplying oxygen or oxygen-enriched air
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00—Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
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    • C01B13/0248—Physical processing only
    • C01B13/0251—Physical processing only by making use of membranes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a combustion plant and an incinerator.
  • combustion gas flue gas
  • CO2 carbon dioxide
  • Natural gas deposits, aquifers or coal seams, CO2 can be separated with different processes in the power plant process.
  • Post-combustion CO2 capture from the N2 / CO2 / H2O mixture of the combustion gas at the cold end of a conventional power plant process by absorption (chemical and physical), adsorption, liquefaction or membrane processes is cumbersome.
  • the energy required for this is z. B. removed from the process steam and leads to significant loss of efficiency.
  • the advantage of post-combustion C02 capture is that the intervention in the power plant process is lower compared to other processes and therefore this process is also suitable for retrofitting existing power plants.
  • the fuel coal is first gasified (integrated gasification combined cycle, IGCC power plant) and the CO formed in this case Water vapor reformed to H2 and CO2 (water gas reaction or "CO shift").
  • the CO2 can now be removed in higher concentration and under high pressure from the fuel gas by physical absorption.
  • the remaining hydrogen is available for power generation by gas and steam turbines.
  • the exhaust gas that leaves the power plant in the end is therefore virtually CO2-free.
  • the combustion gas energy losses are reduced due to the elimination of the ballast content of the air nitrogen in the combustion gas, and thirdly, the nitrogen oxide emissions caused by the air nitrogen are avoided.
  • Air can be separated into its components by various methods (ie primarily nitrogen, oxygen, and also noble gases).
  • cryogenic air separation decomposes the air in a mechanically driven thermodynamic process Essential components nitrogen and oxygen and includes the sub-steps compression of the air, removal of water vapor and carbon dioxide, fractional distillation (rectification) and cooling by throttling relaxation.
  • membrane-based arrangements for air separation have the disadvantage that the membrane unit must be maintained at a comparatively high operating temperature in the range of 700 ° C. to 1000 ° C. (high-temperature membrane method) so that the membrane can perform its function. Accordingly, heating energy must be permanently supplied to the membrane reactor so that it has the required process temperature for oxygen separation from the air.
  • the oxyfuel concept where the membrane is a key component of the process, can be found, for example, in the AZEP (Advanced Zero Emission Power Plant, 5th Framework Program of the European Union, project number: ENK5- CT-2001-00514;
  • the circuit of the combustion process of the Oxycoal AC process is outlined in FIG.
  • a key feature of this process is the integrated high-temperature membrane unit for oxygen production, which is supplied with air on the high-pressure side and delivers oxygen to the recirculated combustion gas flow via an ion-conducting membrane at operating temperatures of about 800 ° C.
  • the gas mixture supplied to the burners by the high-temperature membrane system consists essentially of CO 2, H 2 O and O 2 and has approximately the same
  • Oxygen content as the combustion air in conventional combustion so that should also set the usual combustion in combustion technology combustion temperatures.
  • the separation of the water from the combustion gas discharged from the process can be carried out by condensation.
  • the object of the invention is therefore to propose a method for operating an incinerator and an incinerator, the o.g. Overcome the disadvantages of a membrane-based oxygen separation.
  • heating energy is supplied to maintain the required process temperature of the membrane, wherein the heating energy is obtained from the resulting during operation of a burner combustion gas in a heat exchange with the air, and the heated air is supplied to the membrane and the separated oxygen via a line of the membrane is led away.
  • the heat exchange process and its advantageous coupling to the high temperature level of the combustion gas produced during operation of the burner results in a particularly efficient method of heating the air to the required process temperature, that is to say a temperature required for operation of the membrane unit, and then heating the heated air to the membrane aggregate already to be fed in the correct temperature.
  • the membrane can be brought to the operating temperature, typically 700 0 C to 1000 0 C, in a particularly simple manner.
  • the temperature of the oxygen separated in the membrane is also still substantially at the original process temperature and, before it is fed into the carrier gas of combustion (mostly CO2), can advantageously be used to heat a portion of the air to be supplied to the membrane ,
  • the substantially still at the original temperature, i. Process temperature, heated depleted air leaving the membrane aggregate on the retentate side is advantageously available for other useful applications, be it e.g. for utilizing the heat energy of the heated air by transferring the heat to a water-steam circuit or for driving an expander of a gas turbine set, which in turn is advantageously used for the compression of the air to be supplied to the membrane.
  • this process has several advantages. First, the membrane is not exposed to combustion gas, so no hot gas cleaning is required. In this circuit, the membrane only comes into contact with air. Damage to the membrane material by the combustion products contained in the combustion gas is excluded. Second, hot combustion gas only has to be transported in the comparatively short recirculation line.
  • membrane technology can be integrated into first-generation oxycoal processes.
  • the inventive incinerator in particular for
  • Carrying out the inventive method comprises a burner and a membrane unit comprising a membrane, a retentate side and a permeate side, for the deposition of Oxygen from air, wherein the membrane unit is connected with its permeate side via a line to the burner, wherein in the combustion gas flow, a heat exchanger is connected such that it can be acted upon by the primary side of emerging during the fossil firing hot combustion gas and the secondary side of the heat exchanger deliverable air a temperature required for the operation of the membrane unit can be heated and supplied to the membrane unit and the oxygen deposited in the membrane unit can be led away from the membrane via a line.
  • an oxygen / air heat exchanger is connected in the conduit between permeate side and burner to lower the temperature of the oxygen separated in the membrane, which still substantially corresponds to the original process temperature, to the extent that a recirculated combustion gas - i. C02 flow through the mixture with the oxygen is no longer or only insignificantly raised in its temperature.
  • a recirculation line for combustion gas and the connection of this recirculation line with the oxygen-carrying line between the permeate side of the membrane and the burner.
  • the return of the resulting during operation of the burner, cooled in heat exchange with the air combustion gas (Usually CO2), and the introduction of the separated oxygen into this recirculated combustion gas prevent the high combustion temperatures that otherwise arise when burning fossil fuels with pure oxygen.
  • the retentate side of the membrane is connected to a compressor to which air for disassembly with the membrane can be fed, and which is coupled to an expander which is at substantially the original temperature, i. Process temperature, heated oxygen-depleted air leaving the membrane aggregate on the retentate side, can be acted upon.
  • the membrane is preferably an oxygen ion conducting membrane.
  • the incinerator expediently comprises a fossil-fired steam generator.
  • combustion system in a steam power plant with a steam turbine, in particular, if this steam power plant comprises a CO2 separator, by means of which the highly enriched CO2 can be separated from the combustion gas.
  • FIG. 2 Schematic diagram of the inventive combustion plant, by way of example for a coal dust-fired steam power plant.
  • Figure 1 shows the circuit of the combustion process of the known from the prior art oxycoal AC method.
  • the incinerator 1 has a steam generator 2 with a burner 3.
  • the steam generator 2 is connected in the water-steam circuit of a steam turbine plant, not shown.
  • the burner 3 has a supply line for the fossil fuel 4. Furthermore, a supply line 5 for an oxygen / combustion gas mixture is present, which opens into the burner 3.
  • the fossil fuel is burned together with the oxygen / combustion gas mixture, whereby the water is converted in the pipe system of the steam generator to high-temperature steam.
  • oxygen is deposited from air at a process temperature by means of a membrane 6 of a membrane unit 26 whose retentate side 7 is supplied with compressed air 22 and recirculated to a compressed air
  • the necessary for maintaining the required process temperature heating energy is recovered from the combustion gas 9, the permeate side 8 of the membrane 6 via a recirculation line 28 and is discharged together with the oxygen 25 again (sweep gas).
  • This operation management also a high partial pressure gradient and thus a high permeability for the oxygen 25 are achieved.
  • the oxygen / combustion gas mixture 10 is in
  • This mixture 10 is supplied to the burner 3 for reaction with the fossil fuel 4.
  • the at least partially depleted air 24 by the withdrawal of oxygen 25 by means of the membrane 6 is fed to an expander 11. Coupled to the expander 11 on the same shaft 12 is a gas turbine set, the compressor 13 sucks in air 21 and the membrane 6 is acted upon by compressed air 22 via a compressed air line 29.
  • a hot gas cleaning 14 is connected between the steam generator 2 and the diaphragm 6.
  • a fan 15 supports the combustion gas circulation.
  • FIG. 2 shows, as an exemplary embodiment of the inventive combustion installation 1, the basic circuit diagram for a coal dust-fired steam power plant.
  • the following descriptions are essentially limited to the differences from the exemplary embodiment of the prior art from FIG. 1, to which reference is made with regard to features and functions that remain the same. Substantially identical components are always numbered with the same reference numerals.
  • Heating energy is not supplied directly via the combustion gas, but via the air 23, with which the retentate 7 of the membrane 6 is to be acted upon.
  • This air is in a combustion gas / air heat exchanger 17 in heat exchange with the combustion gas to 700 0 C to 1000 0 C, preferably 800 0 C to 900 0 C, heated to ensure a sufficient operating temperature of the membrane 6.
  • the oxygen 25 (permeate) which accumulates on the permeate side 8 of the membrane is conveyed away by means of a blower 16 via the line 27 and fed to the burner 3.
  • Another heat exchanger 18, which is installed in this oxygen path has the task of lowering the oxygen temperature of diaphragm operating temperature as far as that - with dust-fired steam generators 2 - the recycled via a recirculation line 28 carbon dioxide stream 9 by mixing with the oxygen 25 is not or only is raised slightly in its temperature.
  • the secondary side of this heat exchanger 18 is acted upon via a compressed air line 29 by a part of the Verêtrend Kunststoff 19, which in this case heated and the, from

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsanlage mit einem Brenner und einer Membraneinheit, umfassend eine Retentatseite und eine Permeatseite, zur Abscheidung von Sauerstoff aus Luft, wobei die Membraneinheit mit ihrer Permeatseite über eine Leitung mit dem Brenner verbunden ist, wobei in einen Verbrennungsgasstrom ein Wärmetauscher derart geschaltet ist, dass dieser primärseitig von bei einer fossilen Befeuerung entstehendem heißem Verbrennungsgas beaufschlagbar ist und sekundärseitig die dem Wärmetauscher zustellbare Luft auf eine für den Betrieb der Membraneinheit erforderliche Temperatur aufheizbar und der Membraneinheit zuführbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Verbrennungsanlage.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsanlage sowie Verbrennungsanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsanlage sowie eine Verbrennungsanlage.
Bei der Verbrennung fossiler Energieträger beispielsweise zur Dampferzeugung in Kraftwerken ist das dabei entstehende
Verbrennungsgas (Rauchgas) unter anderem mit CO2 belastet, welches als ein mutmaßlicher Hauptverursacher des klimaverändernden Treibhauseffekts gilt.
Mit dem Ziel einer dauerhaften Einlagerung (Sequestrierung) in geologische Formationen wie Erdöl- oder
Erdgaslagerstätten, Aquifere oder Kohleflöze, kann CO2 mit unterschiedlichen Verfahren im Kraftwerksprozess abgetrennt werden .
Eine CO2-Abtrennung nach der Verbrennung (post combustion capture) aus dem N2/CO2/H2O-Gemisch des Verbrennungsgases am kalten Ende eines konventionellen Kraftwerksprozesses durch Absorption (chemisch und physikalisch) , Adsorption, Verflüssigung oder durch Membranverfahren ist aufwändig. Die hierfür benötigte Energie wird z. B. dem Prozessdampf entnommen und führt zu erheblichen Wirkungsgradeinbußen. Der Vorteil der Post-Combustion-C02-Abscheidung besteht allerdings darin, dass der Eingriff in den Kraftwerksprozess im Vergleich zu anderen Verfahren geringer ist und dieses Verfahren sich daher auch zur Nachrüstung bestehender Kraftwerke eignet.
Beim Kohlevergasungsverfahren zum Abtrennen des CO2 vor der Verbrennung (pre combustion capture) wird der Brennstoff Kohle zunächst vergast (integrated gasification combined cycle, IGCC-Kraftwerk) und das hierbei gebildete CO mit Wasserdampf zu H2 und CO2 reformiert (Wassergas-Reaktion oder „CO-Shift) .
CO + H2O -> CO2 + H2
Das CO2 kann nun in höherer Konzentration und unter hohem Druck aus dem Brenngas durch physikalische Absorption entfernt werden. Der verbleibende Wasserstoff steht für die Stromerzeugung durch Gas- und Dampfturbinen zur Verfügung. Das Abgas, das zum Schluss das Kraftwerk verlässt, ist somit praktisch CO2-frei.
Beim sogenannten Oxyfuel-Verfahren wird anstelle der Luft als Oxidationsmittel Sauerstoff (englisch: oxygen) der Verbrennung zugeführt. Das Verfahren hat mehrere Vorteile.
Erstens ist es einfacher, CO2 aus dem mit CO2 hoch angereicherten Verbrennungsgas abzutrennen, als aus dem Abgasstrom nach der Verbrennung mit Luft, weil das Verbrennungsgas im Wesentlichen aus CO2 und H2O besteht.
Zweitens sind die Verbrennungsgas-Energieverluste aufgrund des Wegfalls des Ballastanteils des Luft-Stickstoffs im Verbrennungsgas verringert und drittens, werden die vom Luft- Stickstoff verursachten Stickoxid-Emissionen vermieden.
Da eine Verbrennung in reinem Sauerstoff aber zu viel zu hohen Verbrennungstemperaturen führen würde, wird der von der Luft abgetrennte Sauerstoff einem rezirkulierten Teil des Verbrennungsgases beigemischt und erst dann der Verbrennung zugeführt. Das zurückgeführte Verbrennungsgas ersetzt somit den Luft-Stickstoff.
Luft kann durch verschiedene Verfahren in ihre Bestandteile (d.h. in erster Linie Stickstoff, Sauerstoff, daneben auch Edelgase) aufgetrennt werden. Die technisch ausgereifte, aber energieintensive, kryogen arbeitende Luftzerlegung (Tieftemperaturluftzerlegung) zerlegt die Luft in einem mechanisch getriebenen thermodynamischen Prozess in ihre wesentlichen Bestandteile Stickstoff und Sauerstoff und umfasst die Teilschritte Verdichtung der Luft, Entfernung von Wasserdampf und Kohlendioxid, fraktionierende Destillation (Rektifikation) sowie Kälteerzeugung durch Drosselentspannung.
Alternativ zu den kryogenen Luftzerlegungsanlagen sind inzwischen zur Abscheidung von Sauerstoff Aggregate auf Membranbasis vorgeschlagen worden (oxygen transport membrane OTM) . Die Membraneffekte - osmotisch bzw. elektrochemisch oder auch durch die Partialdruckdifferenz des Sauerstoffs zwischen der Sauerstoff abgebenden Luftseite (Retentatseite) und der Sauerstoff aufnehmenden Seite (Permeatseite) indiziert - führen zu einer zumindest teilweisen Abscheidung des Sauerstoffs aus der Luft. Der Ersatz der kryogenen Luftzerlegungsanlage durch eine Membran wird als mögliche Option zur Wirkungsgradsteigerung bei CO2-freien Kraftwerkskonzepten angesehen.
Membranbasierte Anordnungen zur Luftzerlegung weisen allerdings den Nachteil auf, dass das Membranaggregat auf einer vergleichsweise hohen Betriebstemperatur im Bereich von 700 0C bis 1000 0C gehalten werden muss (Hochtemperatur- Membranverfahren) , damit die Membran ihre Funktion ausführen kann. Es muss demnach Heizenergie dem Membranreaktor permanent zugeführt werden, damit dieser die erforderliche Prozesstemperatur für die Sauerstoffabscheidung aus der Luft aufweist .
Das Oxyfuel-Konzept, bei dem die Membran zentraler Bestandteil des Prozesses ist, ist beispielsweise vom AZEP- Projekt (advanced zero emission power plant, 5. Rahmenprogramm der Europäischen Union, Projektnummer: ENK5- CT-2001-00514; CORDIS, Forschungs- &
Entwicklungsinformationsdienst der Gemeinschaft) bekannt oder auch vom Oxycoal-AC-Verfahren, das von der RWTH Aachen weiterentwickelt und von der RWE Power AG, der E . ON Energie AG, der Siemens AG, der Linde AG und der WS- Wärmeprozesstechnik GmbH begleitet und mitfinanziert wird.
Die Schaltung des Verbrennungsprozesses des Oxycoal-AC- Verfahrens ist in Figur 1 skizziert. Ein wesentliches Merkmal dieses Prozesses ist die in das Anlagenschema integrierte Hochtemperatur-Membrananlage zur Sauerstoffgewinnung, die auf der Hochdruckseite mit Luft versorgt wird und die über eine ionenleitende Membran bei Betriebstemperaturen von etwa 800 °C Sauerstoff an den rezirkulierten Verbrennungsgasstrom abgibt. Durch diese Betriebsführung werden ein hohes Partialdruckgefalle und damit eine hohe Permeabilität für den Sauerstoff erreicht. Das von der Hochtemperatur-Membrananlage den Brennern zugeführte Gasgemisch besteht im Wesentlichen aus CO2, H2O und 02 und hat etwa den gleichen
Sauerstoffanteil wie die Verbrennungsluft bei der konventionellen Verbrennung, so dass sich auch die in der Verbrennungstechnik üblichen Verbrennungstemperaturen einstellen sollten. Die Abtrennung des Wassers aus dem aus dem Prozess abgeführten Verbrennungsgas kann durch Kondensation erfolgen.
Diese Anordnung weist allerdings die Nachteile auf, dass, wird Sauerstoff an der Peripherie des Prozesses erzeugt, das Verbrennungsgas vom Dampferzeuger bis zur Peripherie transportiert und dass zur Reduzierung der Belastung der Sauerstoff aufnehmenden Seite der Membran durch Verunreinigungen des Verbrennungsgases eine Heißgasreinigung zwischengeschaltet werden muss.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsanlage sowie eine Verbrennungsanlage vorzuschlagen, die die o.g. Nachteile bei einer membranbasierten Sauerstoffabscheidung überwinden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 sowie des Patentanspruchs 13. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen genannt.
Im erfinderischen Verfahren wird zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Prozesstemperatur der Membran Heizenergie zugeführt, wobei die Heizenergie aus dem beim Betrieb eines Brenners entstehenden Verbrennungsgas in einem Wärmetausch mit der Luft gewonnen wird, und die aufgeheizte Luft der Membran zugeführt wird und der abgeschiedene Sauerstoff über eine Leitung von der Membran weggeführt wird.
Durch den Wärmetauschprozess und dessen vorteilhafte Ankopplung an das hohe Temperaturniveau des beim Betrieb des Brenners entstehenden Verbrennungsgases ergibt sich eine besonders effiziente Methode, die Luft auf die erforderliche Prozesstemperatur, also eine für den Betrieb der Membraneinheit erforderliche Temperatur, aufzuheizen und dann die aufgeheizte Luft dem Membranaggregat bereits temperaturrichtig zuzuführen. Hierdurch kann auf besonders einfache Weise die Membran auf die Betriebstemperatur, typischerweise 700 0C bis 1000 0C, gebracht werden.
Die Temperatur des in der Membran abgetrennten Sauerstoffs ist ebenfalls noch im Wesentlichen auf der ursprünglichen Prozesstemperatur und kann, bevor er in das Trägergas der Verbrennung (zumeist CO2) eingespeist wird, vorteilhafterweise zur Heizung eines Teils der Luft eingesetzt werden, die der Membran zugeführt werden soll.
Da der Partialdruck des Sauerstoffs die treibende Kraft der Sauerstoffabscheidung durch die Membran ist, ist es zweckmäßig, den durch die Membran von der Luft abgeschiedenen Sauerstoff von der Permeatseite der Membran wegzufordern .
Vorzugsweise wird ein Teil des Verbrennungsgases nach dem
Wärmetausch mit der Luft dem Sauerstoff beigemischt und zwar so, dass das Gemisch etwa den gleichen Sauerstoffanteil wie die Verbrennungsluft bei einer konventionellen Verbrennung hat, so dass sich auch die in der Verbrennungstechnik üblichen Verbrennungstemperaturen einstellen können, wenn das Sauerstoff/Verbrennungsgas-Gemisch dem Brenner zur Verbrennung mit dem fossilen Brennstoff zugeführt wird.
Die im Wesentlichen noch auf die ursprüngliche Temperatur, d.h. Prozesstemperatur, aufgeheizte abgereicherte Luft, die das Membranaggregat auf der Retentatseite verlässt, steht vorteilhafterweise für weitere Nutzanwendungen zur Verfügung, sei es z.B. für die Nutzung der Wärmeenergie der aufgeheizten Luft durch Übertragung der Wärme auf einen Wasser-Dampf- Kreislauf oder zum Antrieb eines Expanders eines Gasturbosatzes, der vorteilhafterweise wiederum für die Verdichtung der Luft verwendet wird, die der Membran zugeführt werden soll.
Gegenüber dem Oxycoal-AC-Verfahren weist dieses Verfahren mehrere Vorteile auf. Erstens wird die Membran nicht mit Verbrennungsgas beaufschlagt, weswegen keine Heißgasreinigung erforderlich ist. Bei dieser Schaltung kommt die Membran ausschließlich mit Luft in Kontakt. Eine Schädigung des Membranmaterials durch die im Verbrennungsgas enthaltenen Verbrennungsprodukte ist ausgeschlossen. Zweitens muss heißes Verbrennungsgas lediglich in der vergleichsweise kurzen Rezirkulationsleitung transportiert werden .
Drittens sind eine kompakte Bauweise des Wärmetauschers im Dampferzeuger sowie eine kompakte Bauweise der Heißluftleitungen möglich, da die Heißluft üblicherweise bei Drücken > 15 bara vorliegt.
Außerdem kann die Membrantechnologie in Oxycoal-Verfahren der ersten Generation integriert werden.
Die erfinderische Verbrennungsanlage, insbesondere zur
Durchführung des erfinderischen Verfahrens, umfasst einen Brenner und eine Membraneinheit, umfassend eine Membran, eine Retentatseite und eine Permeatseite, zur Abscheidung von Sauerstoff aus Luft, wobei die Membraneinheit mit ihrer Permeatseite über eine Leitung mit dem Brenner verbunden ist, wobei in den Verbrennungsgasstrom ein Wärmetauscher derart geschaltet ist, dass dieser primärseitig von bei der fossilen Befeuerung entstehendem heißem Verbrennungsgas beaufschlagbar ist und sekundärseitig die dem Wärmetauscher zustellbare Luft auf eine für den Betrieb der Membraneinheit erforderliche Temperatur aufheizbar und der Membraneinheit zuführbar ist und der in der Membraneinheit abgeschiedene Sauerstoff über eine Leitung von der Membran wegführbar ist.
Vorzugsweise ist ein Sauerstoff/Luft-Wärmetauscher in die Leitung zwischen Permeatseite und Brenner geschaltet, um die Temperatur des in der Membran abgetrennten Sauerstoffs, die im Wesentlichen noch der ursprünglichen Prozesstemperatur entspricht, soweit abzusenken, dass ein rezirkulierter Verbrennungsgas- d.h. C02-Strom durch die Mischung mit dem Sauerstoff nicht mehr oder nur noch unwesentlich in seiner Temperatur angehoben wird. Vorteilhafterweise ist der Sauerstoff/Luft-Wärmetauscher sekundärseitig der
Retentatseite der Membran zur Zufuhr der aufgewärmten Luft vorgeschaltet .
Ein Zusammenführen der heißen Luft aus dem Wärmetausch mit dem Verbrennungsgas und der aufgewärmten Luft aus dem Wärmetausch mit dem abgetrennten Sauerstoff vor dem Beaufschlagen der Retentatseite ist zweckmäßig.
Vorteilhaft ist auch ein Gebläse in der mit der Permeatseite der Membran verbundenen Leitung hinsichtlich des
Partialdruckgefalles von Sauerstoff über die Membran.
Weiterhin vorteilhaft ist eine Rezirkulationsleitung für Verbrennungsgas und die Verbindung dieser Rezirkulationsleitung mit der Sauerstoff führenden Leitung zwischen der Permeatseite der Membran und dem Brenner. Die Rückführung des beim Betrieb des Brenners entstandenen, im Wärmetausch mit der Luft abgekühlten Verbrennungsgases (zumeist CO2), und die Einspeisung des abgetrennten Sauerstoffs in dieses rezirkulierte Verbrennungsgas verhindern die hohen Verbrennungstemperaturen wie sie ansonsten bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen mit reinem Sauerstoff entstehen.
Vorteilhafterweise ist die Retentatseite der Membran mit einem Verdichter verbunden, dem Luft für die Zerlegung mit der Membran zuführbar ist, und der mit einem Expander gekoppelt ist, der mit der im Wesentlichen noch auf der ursprünglichen Temperatur, d.h. Prozesstemperatur, aufgeheizten sauerstoff-abgereicherten Luft, die das Membranaggregat auf der Retentatseite verlässt, beaufschlagbar ist.
Die Membran ist vorzugsweise eine Sauerstoffionen leitende Membran .
Die Verbrennungsanlage umfasst zweckmäßigerweise einen fossil befeuerten Dampferzeuger.
Besonders vorteilhaft ist die Verbrennungsanlage in einem Dampfkraftwerk mit einer Dampfturbine, insbesondere, wenn dieses Dampfkraftwerk eine CO2-Abscheideeinrichtung umfasst, mittels derer das hoch angereicherte CO2 aus dem Verbrennungsgas abscheidbar ist.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 Schaltung des Verbrennungsprozesses des Oxycoal-AC- Verfahrens
Figur 2 Prinzipschaltplan der erfinderischen Verbrennungsanlage, beispielhaft für ein kohlestaubgefeuertes Dampfkraftwerk . Figur 1 zeigt die Schaltung des Verbrennungsprozesses des aus dem Stand der Technik bekannten Oxycoal-AC-Verfahrens . Die Verbrennungsanlage 1' weist einen Dampferzeuger 2 mit einem Brenner 3 auf. Der Dampferzeuger 2 ist in den Wasser-Dampf- Kreislauf einer nicht näher dargestellten Dampfturbinenanlage geschaltet .
Der Brenner 3 weist eine Zufuhrleitung für den fossilen Brennstoff 4 auf. Weiterhin ist eine Zufuhrleitung 5 für ein Sauerstoff/Verbrennungsgas-Gemisch vorhanden, die in den Brenner 3 einmündet. Im Dampferzeuger 2 wird der fossile Brennstoff zusammen mit dem Sauerstoff/Verbrennungsgas- Gemisch verbrannt, wodurch das Wasser im Rohrsystem des Dampferzeugers zu Dampf mit hoher Temperatur umgewandelt wird.
Beim Oxycoal-AC-Verfahren wird bei einer Prozesstemperatur mittels einer Membran 6 einer Membraneinheit 26, deren Retentatseite 7 mit Druckluft 22 versorgt wird, aus Luft Sauerstoff 25 abgeschieden und an einen rezirkulierten
Verbrennungsgasstrom 9 abgegeben. Die zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Prozesstemperatur notwendige Heizenergie wird aus dem Verbrennungsgas 9 gewonnen, das der Permeatseite 8 der Membran 6 über eine Rezirkulationsleitung 28 zu- und zusammen mit dem Sauerstoff 25 wieder abgeführt wird (sweep gas) . Durch diese Betriebsführung werden auch ein hohes Partialdruckgefalle und damit eine hohe Permeabilität für den Sauerstoff 25 erreicht.
Das Sauerstoff/Verbrennungsgas-Gemisch 10 besteht im
Wesentlichen aus CO2, H2O und 02 und hat etwa den gleichen Sauerstoffanteil wie die Verbrennungsluft bei der konventionellen Verbrennung, so dass sich auch die in der Verbrennungstechnik üblichen Verbrennungstemperaturen einstellen sollten. Dieses Gemisch 10 wird dem Brenner 3 zur Reaktion mit dem fossilen Brennstoff 4 zugeführt. Die durch den Entzug von Sauerstoff 25 mittels der Membran 6 zumindest teilweise abgereicherte Luft 24 wird einem Expander 11 zugeführt. Mit dem Expander 11 auf der gleichen Welle 12 gekoppelt ist ein Gasturbosatz, dessen Verdichter 13 Luft 21 ansaugt und die Membran 6 über eine Druckluftleitung 29 mit Druckluft 22 beaufschlagt.
Zur Reduzierung der Belastung der Membran 6 durch Verunreinigungen des rezirkulierten Verbrennungsgases 9 ist eine Heißgasreinigung 14 zwischen den Dampferzeuger 2 und die Membran 6 geschaltet. Ein Gebläse 15 unterstützt die Verbrennungsgas Zirkulation .
Figur 2 zeigt als Ausführungsbeispiel der erfinderischen Verbrennungsanlage 1 den Prinzipschaltplan für ein kohlestaubgefeuertes Dampfkraftwerk. Die nachfolgenden Beschreibungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel des Standes der Technik aus Figur 1, auf das bezüglich gleich bleibender Merkmale und Funktionen verwiesen wird. Im Wesentlichen gleich bleibende Bauteile werden grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen beziffert .
Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 wird zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Prozesstemperatur der Membran 6
Heizenergie nicht direkt über das Verbrennungsgas zugeführt, sondern über die Luft 23, mit der die Retentatseite 7 der Membran 6 beaufschlagt werden soll. Diese Luft wird in einem Verbrennungsgas/Luft-Wärmetauscher 17 im Wärmetausch mit dem Verbrennungsgas auf 700 0C bis 1000 0C, vorzugsweise 800 0C bis 900 0C, aufgeheizt, um eine ausreichende Betriebstemperatur der Membran 6 zu gewährleisten.
Der sich auf der Permeatseite 8 der Membran ansammelnde Sauerstoff 25 (Permeat) wird mit Hilfe eines Gebläses 16 über die Leitung 27 weggefördert und dem Brenner 3 zugeführt. Ein weiterer Wärmetauscher 18, der in diesen Sauerstoffpfad eingebaut ist hat die Aufgabe, die Sauerstofftemperatur von Membranbetriebstemperatur möglichst soweit abzusenken, dass - bei staubgefeuerten Dampferzeugern 2 - der über eine Rezirkulationsleitung 28 zurückgeführte Kohlendioxidstrom 9 durch die Mischung mit dem Sauerstoff 25 nicht mehr oder nur noch unwesentlich in seiner Temperatur angehoben wird. Die Sekundärseite dieses Wärmetauschers 18 wird dabei über eine Druckluftleitung 29 von einem Teil der Verdichterendluft 19 beaufschlagt, die hierbei aufgeheizt und dem, vom
Dampferzeuger 2 kommenden heißen Luftstrom 20 zugemischt wird.
Durch diese Betriebsführung kommt es zu keinem direkten Kontakt zwischen dem Verbrennungsgas 9 und der Membran 6. Es ist daher auch keine Heißgasreinigung 14 notwendig.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsanlage (1) mit einem mit einem fossilen Brennstoff betriebenen Brenner (2), wobei bei einer Prozesstemperatur mittels einer Membran (6) aus Luft Sauerstoff abgeschieden wird, wobei der abgeschiedene Sauerstoff dem Brenner (3) zur Verbrennung mit dem fossilen Brennstoff zugeführt wird, wobei ein heißes Verbrennungsgas gebildet wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur
Aufrechterhaltung der erforderlichen Prozesstemperatur der Membran (6) Heizenergie zugeführt wird, wobei die Heizenergie aus dem heißen Verbrennungsgas in einem Wärmetausch mit der Luft gewonnen wird, wobei aufgeheizte Luft der Membran (6) zugeführt wird und der abgeschiedene Sauerstoff über eine Leitung (27) von der Membran (6) weggeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Luft im Wärmetausch mit dem Verbrennungsgas auf 700 0C bis 1000 0C, vorzugsweise 800 0C und 900 0C, aufgeheizt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der mittels der Membran (6) abgetrennte Sauerstoff abgekühlt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der abgetrennte
Sauerstoff in einem Wärmetausch mit Luft abgekühlt wird, wobei die Luft erwärmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die erwärmte Luft mit der durch den Wärmetausch mit dem Verbrennungsgas aufgeheizten Luft gemischt wird und die derart aufgeheizte Luft der Membran (6) zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sauerstoff von der Membran (6) weggefördert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Teil des Verbrennungsgases nach dem Wärmetausch mit der Luft mit dem Sauerstoff gemischt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das
Verbrennungsgas/Sauerstoff-Gemisch dem Brenner (3) zur Verbrennung mit dem fossilen Brennstoff zugeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die durch den Sauerstoffentzug mittels der Membran (6) zumindest teilweise abgereicherte Luft einem Expander (11) zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Expander (11) einen Verdichter (13) antreibt, der die Membran (6) permeatseitig mit komprimierter Luft beaufschlagt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem 80 bis 100% der Luft einem Wärmetausch mit dem heißen Verbrennungsgas zugeführt werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem 0 bis 20% der Luft einem Wärmetausch mit dem aus der Luft abgeschiedenen Sauerstoff zugeführt werden.
13. Verbrennungsanlage (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Brenner (3) und einer Membraneinheit (26), umfassend eine Membran (6), eine Retentatseite (7) und eine Permeatseite (8), zur Abscheidung von Sauerstoff aus Luft, wobei die Membraneinheit (26) mit ihrer Permeatseite (8) über eine Leitung (27) mit dem Brenner (3) verbunden ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in einen Verbrennungsgasstrom ein Wärmetauscher (17) derart geschaltet ist, dass dieser primärseitig von bei einer fossilen
Befeuerung entstehendem heißem Verbrennungsgas beaufschlagbar ist und sekundärseitig die dem Wärmetauscher (17) zustellbare Luft (19) auf eine für den Betrieb der Membraneinheit (26) erforderliche Temperatur aufheizbar und der Membraneinheit (26) zuführbar ist und der in der Membraneinheit (26) abgeschiedene Sauerstoff über eine Leitung (27) von der Membran (6) wegführbar ist.
14. Die Verbrennungsanlage (1) nach Anspruch 13, bei der ein Sauerstoff/Luft-Wärmetauscher (18) primärseitig in die Leitung (27) zwischen Permeatseite (8) und Brenner (3) geschaltet ist.
15. Die Verbrennungsanlage (1) nach Anspruch 14, bei der der Sauerstoff/Luft-Wärmetauscher (18) sekundärseitig der Retentatseite (7) vorgeschaltet ist.
16. Die Verbrennungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei der die im Wärmetauscher (17) auf eine Prozesstemperatur aufheizbare Luft mit der im Sauerstoff/Luft-Wärmetauscher (18) sekundärseitig aufgewärmten Luft mischbar und der Retentatseite (7) zuführbar ist.
17. Die Verbrennungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei der ein Gebläse (16) in die Leitung (27) zwischen Permeatseite (8) und Brenner (3) geschaltet ist.
18. Die Verbrennungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei der eine Rezirkulationsleitung (28) für das Verbrennungsgas mit der Leitung (27) verbunden ist, über die die Permeatseite (8) mit dem Brenner (3) verbunden ist.
19. Die Verbrennungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei der die Retentatseite (7) mit einem Expander (11) zur Nutzung der thermischen und mechanischen Energie des Retentats verbunden ist.
20. Die Verbrennungsanlage (1) nach Anspruch 19, bei der der Expander (11) mit einem Verdichter (13) gekoppelt ist.
21. Die Verbrennungsanlage (1) nach Anspruch 20, bei der der Verdichter (13) ein Luftverdichter (13) ist, dem Luft (21) für die Zerlegung mit der Membran (6) zuführbar ist.
22. Die Verbrennungsanlage (1) nach Anspruch 21, bei der der Luftverdichter (13) über eine Leitung (29) mit der Retentatseite (7) verbunden ist.
23. Die Verbrennungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 22, bei der die Membran (6) eine Sauerstoffionen leitende Membran ist.
24. Die Verbrennungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 23, mit einem fossil befeuerten Dampferzeuger (2), der mit dem Brenner (3) befeuerbar ist.
25. Ein Dampfkraftwerk mit einer Dampfturbine und mit einer Verbrennungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 24.
26. Das Dampfkraftwerk nach Anspruch 25, umfassend eine CO2- Abscheideeinrichtung, mittels derer Co2 aus dem Verbrennungsgas abscheidbar ist.
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