NO20130881A1 - Forbedringer ved gassturbinanlegg med CO2 fangst - Google Patents

Abstract

En fremgangsmåte og et anlegg for innfangning av CO2 fra en innkommende eksosgass, er beskrevet. Den innkommende eksosgassen blir komprimert, introdusert inn i et forbrenningskammer sammen med naturgass, og delvis ekspandert. Den delvis ekspanderte eksosgassen blir introdusert inn i en CO2 fangstenhet, før den CO2 uttømte eksosgassen blir ytterligere ekspandert for å gi kraft. En delstrøm av den delvis ekspanderte eksosgassen, som har en lav oksygenkonsentrasjon, blir benyttet for ekstern kjøling av forbrenningskammeret, før den blir blandet med forbrenningsgassen.

Description

Teknisk felt

[0001] Foreliggende oppfinnelse angår feltet termiske kraftanlegg med CCtø-fangst. Mer spesifikt angår foreliggende oppfinnelse et gassturbin kraftanlegg med CO2-fangst hvor gassturbinen er utviklet for å akseptere en CCtø-rik eksosgass som kilden for oksygen for forbrenningen. Mer spesifikt angår foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte og et gassturbin kraftanlegg som passer for bygging av effektive kraftanlegg med CCtø-fangst og for påbygging av en effektiv karbonfangstløsning for eksisterende C02-utslippende anlegg.

Bakgrunnsteknikk

[0002] Karbonfangst og -lagring (CCS) har blitt et meget aktuelt tema de siste tiårene på grunn av drivhuseffekten forårsaket av karbondioksid i atmosfæren. Stor innsats har derfor blitt lagt inn i utviklingen av teknologi for karbonfangst. Felles for alle de foreslåtte løsningene er, imidlertid at CO2blir fanget til en energikostnad i tillegg til andre drifts- og byggekostnader.

[0003] Betydelig utvikling og forskning har derfor blitt lagt inn i utviklingen av løsninger for å redusere energikostnaden, driftskostnadene og/eller byggekostnadene. Fokus har vært bade på løsninger som tillater karbonfangst fra eksisterende kraftanlegg eller industrielle anlegg som slipper ut C02-inneholdende eksosgasser, og integrerte løsninger som krever bygging av totalt nye anlegg.

[0004] Problemet som skal løses når man planlegger for karbonfangst for eksisterende kraftanlegg, er å fange CO2fra eksosgassen uten behov for en større ombygging av det eksisterende kraftanlegg. De fleste løsningene for å løse dette problemet er basert på absorpsjon av CO2fra eksosgassen ved hjelp av vandige oppløsninger av absorbenter, slik som aminer, ved omkring atmosfærisk trykk, eller noe høyere (1 til 1,5 bar). Normalt blir absorbenten brakt i motstrøms kontakt med eksosgassen i en absorber, for å gi en CCte-arm eksosgass som blir frigitt ut i atmosfæren, og CCtø-rik absorbent som blir regenerert for å gi en arm absorbent som blir resirkulert inn i absorberen, og CO2som blir behandlet videre for deponering. WO0048709 angår en fremgangsmåte for CO2fangst hvor eksosgassen fra en gassturbin blir re-komprimert for å forbedre effektiviteten til absorpsjonen og for å redusere volumet av gassen som skal bli behandlet. Bruk av trykk-sving absorpsjon eller membraner for separasjon av CO2fra eksosgassen har også blitt foreslått.

[0005] Sammensetningen av eksosgassen fra hvilken CO2skal bli fanget kan, imidlertid, forårsake problems. Fangst av CO2(eller en hvilken som helst gass) av en absorbent vil ikke være tilstrekkelig effektiv hvis konsentrasjon, eller partialtrykket av gassen (CO2) skal bli fanget er for lav. C02-innholdet i eksosgassen fra et gassturbin kraftanlegg kan være 4 til 6 volum %, noe som forårsaker et lavt partialtrykk av CO2i eksosgassen og således ineffektiv absorpsjon av CO2. Videre, kan et relativt høyt innhold av gjenværende oksygen i eksosgassen fra et gassturbin kraftanlegg, normalt 12 til 14 volum %, forårsake degradering av absorbenten, i tillegg til kontaminering av den fangede CO2med oksygen. Oksygen kontaminasjon i den fangede CO2er uakseptabel for anvendelsen av den fangede CO2for øket oljegjenvinning, og kan også være uakseptabel for deponering.

[0006] Selv eksosgass fra kullfyrte kraftanlegg kan ha en konsentrasjon av gjenværende oksygen som er for høy, og konsentrasjon av CO2som er for lav for en optimal fangstprosess.

[0007] WO2005045316, Sargas AS, angår en fremgangsmåte for innfangning av CO2fra en eksosgass omfattende introduksjon av eksosgassen inn i et andre kraftanlegg som en oksygeninneholdende gass for videre forbrenning i et trykksatt forbrenningskammer, hvor CO2fra den resulterende eksosgassen blir ekspandert etter fangst av CO2. En stor kjele er, imidlertid, påkrevet for brenning av eksosgass med lavt oksygeninnhold og moderat trykk. Damp for en dampturbin for generering av kraft, blir generert i kjelen for å kontrollere temperaturen på eksosgassen som blir frigitt fra kjelen, for å unngå varmeskade på nedstrøms utstyr. Kostnaden for en kjele, dampturbin og ytterligere utstyr er imidlertid store. I tillegg blir energi tapt ved omdanning av varme til lavtemperatur damp.

[0008] WO2008023986, Statoil, angår en fremgangsmåte og et gassturbin kraftanlegg med CO2fangst, omfattende to gassturbiner, hvor eksosgass fra en av gassturbinene blir resirkulert og benyttet som kjølegass for både gassturbinens forbrenningskammer for å oppnå en eksosgass som håret CO2innhold på omkring 10 % som blir fanget i et aminbasert karbonfangstanlegg ved atmosfærisk trykk. Denne fremgangsmåten og anlegg er kun passende for nybygging av et nytt kraftanlegg, og ikke for ettermontering av CO2fangstløsning på eksisterende kraftanlegg.

[0009] US20080104939, General Electric Company, angår et kraftgenereringssystem som inkluderer minst ett turbinsystem, hvor CO2blir separert fra den gjenværende eksosgassen mellom en første og andre ekspander. Ifølge spesifikke utførelsesformer, kan anlegget omfatte mer enn ett gassturbinsystem, f.eks. to, hvor eksosgass fra den første gassturbinen etter fangst av CO2fra eksosgassen, blir introdusert som oksidant til en andre gassturbin. I tillegg kan eksosgass fra den andre gassturbin bli introdusert inn i den første gassturbinens forbrenningskammer for redusering av oksygeninnholdet og økning av CO2konsentrasjon i forbrenningsgassene. Resirkuleringen av eksosgass resulterer i en eksosgass for CO2fangst som har et relativt lavt oksygennivå, noe som er fordelaktig for C02-fangst, da det ikke er angitt eksplisitt at denne resirkulerte lav-oksygen gassen skal bli benytter for avkjøling av den nedre grensen av resulterende oksygeninnhold til omkring 5% om er for høy for øket oljegjenvinning.

[0010] Et mål ved foreliggende oppfinnelse er å overvinne manglene ved den kjente teknikk og gi en mer energieffektiv fremgangsmåte og anlegg enn det som er fremskaffet ifølge teknikkens stand. Et ytterligere mål ved foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe en fremgangsmåte og et anlegg for ettermontering til et eksisterende anlegg som slipper ut CO2, for å gjøre det mulig med en energieffektiv måte å fange inn CO2fra det totale anlegget.

Oppsummering av oppfinnelsen

[0011] Ifølge et første aspekt, angår foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for innfangning av CO2fra en innkommende eksosgass, hvor fremgangsmåten omfatter trinnene:

a. komprimering den innkommende eksosgassen,

b. introdusering av naturgass og den innkommende eksosgassen inn i et forbrenningskammer for å gi minst en del av oksygenet som er nødvendig for forbrenning av naturgassen under betingelser tom tillater at forbrenningen starter og blir opprettholdt i forbrenningskammeret for å gi en resulterende eksosgass, c. delvis ekspandering av den resulterende eksosgassen over en ekspander,

d. avkjøling av den delvis ekspanderte eksosgassen,

e. introdusering av den delvis ekspanderte og avkjølte eksosgassen inn i en karbonfangstenhet for separasjon av den resulterende eksosgassen til en CO2strøm som blir eksportert fra anlegget, og en CO2uttømt eksosgass-strøm,

f. ekspandering av den CO2uttømte strømmen for å produsere elektrisk strøm og frigi den ekspanderte CO2uttømte eksosgassen i omgivelsene,

hvori fremgangsmåten ytterligere omfatter trinnene:

g. uttrekking av en delstrøm av den delvis ekspanderte og avkjølte eksosgassen for introdusering av den gjenværende delvis ekspanderte og avkjølte eksosgassen in i CO2fangstenheten,

h. komprimering av eksosgassdelstrømmen trukket ut i trinn g), i. introdusering av den komprimerte eksosgassen inn i

forbrenningskammeret som en kjølegass, og

j. blanding av gassen fra trinn g) med eksosgassen som forlater forbrenningskammeret for kjøling av denne.

[0012] Moderne gassturbiner krever en kjølegass for å unngå skade på forbrenningskammeret og bladene på ekspanderen på grunn av for høy varme. Normalt blir komprimert luft ved det samme trykket som trykket inni forbrenningskammeret brukt for kjøling av forbrenningskammeret. Kjøleluften blir så blandet med eksosgassen som forlater forbrenningskammeret før den kombinerte gassen blir ekspandert over en ekspander. Erstatning av luften benyttet for kjøling med eksosgass har den fordelaktige effekten at oksygenkonsentrasjonen i eksosgassen som blir blandet med kjølegassen, ikke blir øket. Den resirkulerte eksosgassen har en rest oksygenkonsentrasjon på 2% eller mindre, slik som mindre enn 1,5% eller også så lav som 1 %, tilsvarende rest oksygennivået etter hovedsakelig støkiometrisk forbrenning i forbrenningskammeret. Som et resultat har eksosgassen blandet med kjølegass en rest oksygenkonsentrasjon som er på det samme nivået som nevnt ovenfor med referanse til den resirkulerte eksosgassen. Et rest oksygen nivå på 2% eller mindre gjøre det mulig å separere CO2med tilstrekkelig lav oksygenkonsentrasjon til å bli benyttet for injeksjon i et oljefelt for øket oljegjenvinning («enhanced oil recovery» (EOR)).

[0013] Ifølge en utførelsesform, blir den komprimerte eksosgassen fra trinn h) avkjølt i en kjøler før introduksjon inn i forbrenningskammeret som kjølegass før økning av kjølekapasiteten.

[0014] Ifølge en annen utførelsesform blir en oksygeninneholdende gass blandet med den innkommende eksosgass før introduksjon av den innkommende eksosgassen inn i forbrenningskammeret.

[0015]Avhengig av kilden forden innkommende eksosgassen, kan oksygenkonsentrasjon i eksosgassen være for lav til å opprettholde forbrenning i forbrenningskammeret. Tilsetning av en oksygeninneholdende gass, kan derfor være nødvendig. Fagpersonen er i stand til å beregne den mengden av gass som er nødvendig for å oppnå en tilsvarende høy konsentrasjon av oksygen i forbrenningskammeret.

[0016] Ifølge en utførelsesform, blir den oksygeninneholdende gassen blandet med den innkommende eksosgassen før kompresjonstrinnet, trinn a).

[0017] Ifølge en annen utførelsesform, blir den oksygeninneholdende gassen introdusert inn i den komprimerte innkommende eksosgassen.

[0018] Den oksygeninneholdende gassen kan være luft, oksygenanriket luft, eller hovedsakelig ren oksygen.

[0019] Ifølge en utførelsesform, blir en del av naturgassen som blir introdusert inn i forbrenningskammeret, og en oksygeninneholdende gass introdusert separat fra den innkommende eksosgassen, for å gi en pilotflamme i forbrenningskammeret for å sikre opprettholdelsen av forbrenningen i forbrenningskammeret.

[0020] Den oksygeninneholdende gassen introdusert for å opprettholde pilotflammen er luft, oksygenanriket luft, eller hovedsakelig ren oksygen, og er foretrukket oksygen anriket luft eller hovedsakelig ren oksygen.

[0021] Ifølge et andre aspekt, angår foreliggende oppfinnelse et anlegg for innfangning av CO2fra en innkommende eksosgass, hvor anlegget omfatter: a. en innkommende eksosgass linje for introduksjon av innkommende eksosgass inn i en kompressor for kompresjon av den innkommende eksosgassen, b. en høytrykks forbrenner omfattende en mantel som omgir et forbrenningskammer hvor den den komprimerte innkommende eksosgassen blir introdusert som en oksygeninneholdende gass og blir forbrent sammen med naturgassen for under hovedsakelig støkiometrisk ratio for å gi en lavoksygen eksosgass, c. en ekspander for delvis ekspandering av lavoksygen eksosgassen, d. en CO2fangstenhet for innfangning av CO2fra den dlevis ekspanderte lavoksygen eksosgassen for å gi en CO2rik

strøm som blir videre behandlet og eksportert fra anlegget, og en strøm av CO2-arm eksosgass,

e. en ekspander for videre ekspandering av den CO2-arme eksosgassen, hvor ekspanderen er forbundet til en generator for generering av elektrisk kraft, og et arm eksosgass utløp eller skorstein, for frigiving av den ekspanderte CO2-arme eksosgassen ut i omgivelsene,

hvor anlegget ytterligere omfatter:

f. en eksosgass resirkuleringslinje for uttrekking av en delstrøm av eksosgassen før introduksjon inn i C02-fangstenhet, for resirkulering av en delstrøm av eksosgassen inn i forbrenneren for kjøling av forbrenningskammeret og lav-oksygen eksosgassen som forlater forbrenningskammeret.

[0022] Ifølge en utførelsesform, omfatter anlegget ytterligere en oksygenenhet for fremstilling av oksygen anriket luft eller hovedsakelig ren oksygen.

[0023] Som benyttet her As used omfatter ren oksygen mer enn 90 volum% oksygen, hvor resten er andre gasser som normalt blir funnet i atmosfæren, slik som nitrogen. Oksygenanriket luft, er prosessert slik at den ar en høyere konsentrasjon av oksygen enn det som naturlig blir funnet i atmosfærisk luft. Følgelig, har oksygenanriket luft et oksygeninnhold på mer enn 21 volum %, men mindre enn det som her erkarakterisertsom ren oksygen.

Kort beskrivelse av figurene

[0024] Figur 1 er en prinsippskisse av et anlegg ifølge foreliggende oppfinnelse, and Figur 2 er en prinsippskisse av et forbrenningskammer fra et anlegg ifølge foreliggende oppfinnelse.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

[0025] Figur 1 er en illustrasjon av et eksempelanlegg ifølge foreliggende oppfinnelse. En eksosgass fra et oppstrøms anlegg blir introdusert gjennom en innkommende eksosgasslinje 1. Den innkommende eksosgassen fra et gassfyrt kraftanlegg, petrokjemisk anlegg eller et hvilket som helst C02-utslippende anlegg, blir introdusert inn i en innkommende eksosgasslinje 1. Den innkommende eksosgassen er en gass som har et lavere innhold av oksygen og et høyere innhold av CO2enn luft. Eksosgass fra et gassfyrt kraftanlegg har et oksygeninnhold på omkring volum % og et innhold av CO2på omkring 4 volum %, mens eksosgass fra et moderne kullfyrt kraftanlegg har et oksygeninnhold på omkring 7-10 volum %, og et innhold av CO2på omkring 11-13 volum %.

[0026] En kjøler 2 er anordnet i innkommende eksosgasslinje 1 for kjøling av den innkommende eksosgassen.

[0027] Den innkommende eksosgassen introdusert i innkommende eksosgasslinje 1, blir introdusert inn i en kompressor 3, 3' illustrert som en to-trinns kompressor hvor en mellomkjøler IC er anordnet for å kjøle den delvis komprimerte gassen før ytterligere kompresjon i det neste trinnet. Den innkommende eksosgassen blir komprimert, foretrukket i to eller flere med mellomkjøling, til et trykk på 35 til 55 bar atmosfærisk (bara), mer typisk 38 til 50 bara, slik som omkring fra 40 til 45 bara.

[0028] Den komprimerte innkommende eksosgassen forlater kompressoren 3 gjennom en komprimert innkommende eksosgasslinje 4 og blir introdusert inn i en forbrenner 18 sammen med naturgass introdusert gjennom en naturgasslinje 6. Ytterligere oksygen i form av luft, oksygenanriket luft eller ren oksygen blir foretrukket tilsatt til forbrenningskammeret gjennom en oksygentilsetningslinje 7. Mengden av tilsatt oksygen, og om oksygen blir tilsatt som luft, oksygenanriket luft eller ren oksygen avhenger av flere faktorer. En viktig faktor er oksygeninnholdet i den innkommende eksosgassen, som avhenger av kilden for den innkommende eksosgassen.

[0029] Eksosgassen som er resultat av forbrenningen i forbrenneren 18 blir trukket ut fra forbrenningskammeret gjennom en eksosgasslinje 8 og introdusert inn i en ekspander 9 hvor eksosgassen blir delvis ekspandert. Ekspansjonen i ekspanderen 9 blir balansert mot energibehovet for kompresjonen i kompressor 3. Følgelig, avhenger trykket i den delvis ekspandert eksosgassen som forlater ekspanderen 9 gjennom delvis ekspandert eksosgasslinje 10, av trykket i forbrenneren 18 og effektiviteten til kompressor 3 og ekspander 9. Kraften generert ved den delvise ekspansjonen av eksosgassen i ekspanderen 9 skal dekke kraftbehovet til kompressor 3. I tillegg, er trykket til den delvis ekspanderte eksosgassen som forlater ekspanderen 9 foretrukket 8 bara eller høyere, da et trykk på 8 bara eller høyere er nødvendig for å oppnå et høyt CO2-partialtrykk og derved oppnå en effektiv CCtø-fangst i en nedstrøms CO2fangstenhet 14. Ifølge beregninger, må trykket i forbrenneren 18 være 42 bara for å oppnå et trykk på 8 bara i den delvis ekspanderte eksosgassen, samtidig som kraften generert av ekspanderen dekker kraftbehovet til kompressoren 3.

[0030] Den delvis ekspanderte eksosgassen som forlater ekspanderen 9 i linje 10 blir så introdusert inn i en eksosgass behandlingsenhet 11. Eksosgass behandlingsenheten 11 omfatter enheter for fjerning av eller betydelig reduksjon av forurensninger slik som Hg, SOx og NOx fra eksosgassen, og varmevekslere for å kjøle eksosgassen, typisk til en temperatur på 80 til 120 °C, slik som omkring 100 °C. Gassbehandlingsenheten kan ytterligere omfatte en ikke illustrert gassfyrt kjele for ytterligere reduksjon av oksygenkonsentrasjonen i eksosgassen, da det er foretrukket at oksygenkonsentrasjonen for eksosgassen som skal bli introdusert inn i karbonfangstenheten er lavere enn 2%.

[0031] Avfall fra fjerningen av forurensninger i enhet 11 blir fjernet gjennom en avfallslinje 12, mens behandlet og avkjølt eksosgass blir trukket ut fra eksosgassbehandlingsenheten 11 via en eksosgasslinje 13 og introdusert inn i en CO2fangstenhet 14. En delstrøm av gassen i eksoslinje 13 blir trukket ut før introduksjon inn i CO2fangstenheten 14, gjennom en eksosgass resirkuleringslinje 25.

[0032] Eksosgassen introdusert inn i CO2fangstenheten 14 gjennom linje 13, eksosgassen blir separert i en CO2rik strøm, hovedsakelig omfattende CO2, og mindre mengder andre gasser som blir trukket ut gjennom en CO2linje 15 for ytterligere behandling for eksport, slik som kompresjon og kjøling, og en CCte-arm strøm som blir trukket ut gjennom en arm eksoslinje 16 og introdusert inn i eksosgass behandlingsenheten 11. Den arme eksosgassen blir gjenoppvarmet i eksosgass behandlingsenheten 11 ved varmeveksling mot den varme innkommende eksosgassen fra linje 10. CO2fangstenheten kan være en hvilken som helst tilgjengelig C02-fangstenhet, slik som velkjente absorpsjon / desorpsjon anordninger, eller membranbaserte anordninger. Ifølge en utførelsesform er CO2-fangstenhet en karbonatbasert absorpsjon / desorpsjon enhet som f.eks. beskrevet i WO2004001301, Sargas, men CO2fangstenheter basert på andre absorbenter, slik som f.eks. aminer, aminosyrer etc, er også anvendbare. Membran baserte, eller varm kaliumkarbonat absorbent basert absorpsjon / desorpsjon basert C02-fangstsystemer er i dag foretrukket over aminbaserte systemer.

[0033] Den arme eksosgassen gjenoppvarmet ved varmeveksling i enhet 11 blir trukket ut gjennom en gjenoppvarmet arm eksoslinje 17, og introdusert inn i en ekspander eller turbin 20 for fremstilling av elektrisk energi ved hjelp av en generator 21, for å levere kraft til et nett 35 via en kraftlinje 36.

[0034] Den arme eksosgassen ekspandert over ekspander 20 blir trukket ut gjennom en ekspandert arm eksosgasslinje 22 og frigitt gjennom en skorstein 23. En varmegjenvinnings dampgenerator generator 24 er foretrukket anordnet i linje 22, for å gjenvinne varme fra den arme eksosgassen, som en generert damp trukket ut gjennom en damplinje 24', før frigiving av den arme eksosgassen ut i omgivelsene.

[0035] Eksosgassen trukket ut i resirkuleringslinje 25 som blir trukket ut fra linje 13, blir komprimert i kompressor 27 til et trykk litt over trykket i forbrenneren 18, slik som 1 til 5 bara, eller 2 til 4 bara over trykket i forbrenneren 18. Den komprimerte resirkuleringseksosgassen blir trukket utfra kompressoren 27 i en resirkulerings eksosgasslinje 28, og blir introdusert som et kjølemidel for forbrenneren 18 som beskrevet nedenfor med referanse til figur 2.

[0036] En eventuell kjøler 29 kan være anordnet i linje 28 for å kjøle den komprimerte resirkulerte eksosgassen for å forbedre kjølekapasiteten til resirkulerings eksosgassen i linje 28.

[0037] En linje 28' er foretrukket anordnet for å trekke ut en delstrøm av den komprimerte resirkulerings eksosgassen i linje 28, for å bli introdusert inn i ekspanderen 9 som kjølegass for bladene i turbinen deri. Resirkulerings eksosgassen i linje 28' blir introdusert inn i ikke viste interne kanaler i turbinen og turbinbladene, og frigitt inn i eksosgassen som blir ekspandert i ekspanderen, gjennom åpninger i bladene for kjøling av bladene.

[0038] En oksygenenhet 30 er foretrukket anordnet for å levere oksygen, oksygen anriket luft eller luft til forbrenneren 18 via en oksygen tilsetningslinje 7. Luft blir introdusert inn i oksygenenheten vie en luftintroduksjonslinje 31. Oksygenenheten 30 omfatter en ikke vist kompressor for å komprimere for å sikre at trykket i linje 7 er noe høyere enn trykket i forbrenneren 18, slik som 1 til 5 bara, eller 2 til 4 bara overtrykket i forbrenneren 18. Oksygenenheten 30 kan også omfatte oksygengenerering eller-separasjon, slik som membran eller kryogene luftseparasjonsenheter, eller en elektrolytisk oksygengenereringsenhet som splitter vann i oksygen og hydrogen. Elektrisk kraft for oksygenenheten 30 blir levert fra nettet via en kraftlinje 36.

[0039] Mengden luft, oksygenanriket luft eller ren oksygen som skal bli introdusert inn i forbrenneren 18 via oksygenlinjen 7, avhenger av oksygen innholdet i den innkommende eksosgassen. I tillegg, kan en høyere mengde luft, oksygenanriket luft eller ren oksygen være nødvendig under oppstart og oppvarming av forbrenningskammeret. Dersom den innkommende eksosgassen har en tilstrekkelig høy mengde oksygen, kan tilførselen av luft, oksygenanriket luft eller ren oksygen bli slått av under stabile driftsbetingelser. Tilsetning av luft eller oksygenanriket luft øker også volumet av gass om ikke deltar i forbrenningen (hovedsakelig nitrogen), noe som resulterer i en lavere forbrenningstemperatur enn tilsetning av den samme mengden oksygen som hovedsakelig ren oksygen. Større eksosgassvolumer krever større dimensjoner på postforbrenningsutstyret, noe som legger til kostnader, mens små eksosgassvolumer som er mulig å oppnå ved tilsetning av ren oksygen kan forårsake at forbrenningstemperaturen overskrider den maksimale tillatelige temperaturen i forbrenningskammeret og i ekspanderen 9. Det er innen fagkunnskapen til fagpersonen å vurdere den nødvendige mengden tilsatt oksygen fra oksygenenheten 30 til forbrenneren 18, og om oksygenet skal bli tilsatt som luft, oksygenanriket luft eller ren oksygen. Dette valget vil være viktig for valget av teknologi for oksygenenheten.

[0040] Figur 2 er et lengdesnitt gjennom en forbrenner 18. Forbrenneren 18 omfatter et ytre skall, eller mantel 40, som omgir et forbrenningskammer 5. Mantelen er et yter trykkskall for å unngå en skadelig trykkforskjell over de varme veggene til forbrenningskammeret. Forbrenningskammeret 5 er et rørformet legeme, lukket i en første lukkede ende 41, og åpen i den motsatte utløpsenden for eksosgass 42. Et kjølerom 43 er definert på innsiden av mantelen 40 og utsiden av forbrenningskammeret 5, for å tillate en kjølegass å strømme mellom disse for å kjøle veggene til forbrenningskammeret slik det vil bli beskrevet i ytterligere detalj nedenfor. Kjølegassen blir introdusert gjennom linje(r) 28 anordnet nær den første lukkede enden 41 av forbrenningskammeret 5, og blir frigitt sammen med forbrenningsgassene som beskrevet i ytterligere detalj nedenfor.

[0041] En dyse 50 omfattende to eller flere kanaler 51, 52 for introduksjon av gasser inn i forbrenningskammeret 5, er anordnet for å få tilgang for gassinnløpslinjer 7, 7', 6', 6", 4 fra utsiden av forbrenningskammeret og foretrukket fra utsiden av mantelen. Dysekanalene 51, 52 er åpne mot innsiden av forbrenningskammeret 5. Dysekanalene kan være anordnet koaksialt eller som parallelle kanaler 51, 52 i dysen 50. Ikke viste stasjonære blader er foretrukket anordnet i kanalene 51, 52 eller ved åpningene derav mot innsiden av forbrenningskammeret 5 for å forårsake at gassene som blir frigitt gjennom dyseåpningene å virvle for å forårsake en optimal blanding av gasser fra forskjellige kanaler. Det kan være foretrukket at gassen frigitt gjennom naboliggende dyseåpninger virvler i motsatt retning. En ikke vist tenner er foretrukket anordnet i forbrenningskammeret for å forårsake tenning under oppstart.

[0042] Under drift skjer den primære forbrenningen i en tennsone 45 av forbrenningskammeret, hvor temperaturen kan nå omkring 2700 °C eller høyere. Sekundær og endelig forbrenning skjer under transport av forbrenningsgassene gjennom høytrykks forbrenningskammeret.

[0043] Den resirkulerte eksosgassen i linje 28 som er beskrevet ovenfor med referanse til figur 1, blir introdusert inn i kjølerommet 43 foretrukket gjennom to eller flere linjer 28, for å forårsake at den resirkulerte eksosgassen strømmer fra den lukkede enden 41 av forbrenningskammeret 5 mot en åpen ende 42 av mantelen som er koaksialt anordnet omkring den åpne enden 42 av forbrenningskammeret, hvor den resirkulerte eksosgassen blir blandet med eksosgassene som forlater forbrenningskammeret gjennom åpningen 42 for å bli slått sammen i strømmen 8 for å bli delvis ekspandert over ekspanderen 9.

[0044] En serie åpninger 44 er foretrukket anordnet i veggene til forbrenningskammeret for å tillate at en del av den resirkulerte eksosgassen i kjølerommet 43 å komme in i forbrenningskammeret 5 og blande med og kjøle forbrenningsgassene deri på en velkjent måte. Den resirkulerte eksosgassen i kjølerommet 43, og delen derav som går inn i forbrenningskammeret 5, har en viktig rolle i kjøling av veggene til forbrenningskammeret for å unngå varmeskade. Blandingen av eksosgassen og forbrenningsgassene fra forbrenningskammeret i en felles strøm markert med en pil i utløpsenden 43 av forbrenningskammeret, blir temperaturen til den kombinerte eksosgassen som skal bli introdusert inn i ekspanderen 9 redusert til en temperatur som er akseptabel for bladene i ekspanderen 8, dvs. en temperatur på 1200 - 1400 °C avhengig av den maksimalt tillatelige temperaturen i ekspanderen 9.

[0045] Som nevnt ovenfor, er dysen 50 anordnet ved den lukkede enden 41 av

forbrenningskammeret 5 og omfatter to eller flere kanaler for gass. Den illustrerte dysen omfatter to koaksialt anordnede kanaler, en indre kanal 51 og en ytre kanal 52. Naturgasslinjen er delt i to linjer 6', 6", for introduksjon i henholdsvis den indre kanalen 51 og den ytre kanal 52. Strømmen av naturgass inn i de respektive indre og ytre kanaler 51, 52, blir kontrollert av ventiler 33, 33'. Luft, oksygenanriket luft eller ren oksygen blir introdusert inn i den indre kanalen 51 og hvor den blir blandet med naturgassen introdusert gjennom linje 6'. Gassene introdusert inn i den indre kanalen 51 blir så introdusert inn i forbrenningskammeret 5 hvor forbrenningen skjer.

[0046] Innkommende eksosgass, introdusert gjennom linje 1, kjølt i en kjøler 2 og komprimert i kompressor 3 som beskrevet ovenfor, blir introdusert gjennom linje 4 inn i den ytre kanalen 52 hvor den blir blandet med naturgassen introdusert gjennom linje 6, før gassblandingen blir introdusert inn i forbrenningskammeret og forbrent.

[0047] Forbrenningen av brenselgass og oksygeninneholdende gass introdusert gjennom den indre kanalen 51 virker som en høytemperatur pilotflamme, som har en temperatur opp til omkring 2800 °C, for oppvarming av forbrenningskammeret og gassene introdusert gjennom den ytre kanalen 52. Det er antatt at 5 til 15 % av det totale brenselet, eller naturgass, sammen med en tilsvarende mengde oksygeninneholdende gass, er tilstrekkelig for å oppnå temperaturen som er nødvendig for å opprettholde forbrenningen av gassen introdusert gjennom den ytre kanalen 52.

[0048] På grunn av det høye trykket i forbrenningskammeret 5, og temperaturen oppnådd ved pilotforbrenningen, kan forbrenningen av gasser introdusert gjennom den ytre kanalen bli opprettholdt ved lavere oksygenkonsentrasjon i den innkommende gassen enn for forbrenning under lavere trykk. Det er imidlertid antatt at ytterligere oksygen må bli tilsatt dersom oksygeninnholdet i den innkommende eksosgassen introdusert gjennom linje 4 er lavere enn omkring 13 volum %. Ytterligere oksygen kan bli tilsatt ved blanding av luft, oksygen anriket luft eller ren oksygen inn i den innkommende eksosgasslinjen 1 for å bli komprimert i kompressor 3, sammen med den innkommende eksosgassen. Alternativt kan luft, oksygen anriket luft eller ren oksygen bli introdusert inn i den ytre kanalen 52 i dysen 50 gjennom en andre oksygen tilsetningslinje 7' som mottar luft, oksygenert luft eller ren oksygen fra oksygenenheten 30, eller en hvilken som helst annen kilde for luft, oksygen anriket luft eller ren oksygen.

[0049] Den totale mengden av tilsatt oksygen til forbrenningskammeret blir justert for å gi en hovedsakelig støkiometrisk forbrenning deri. Foretrukket blir tilsetningen av oksygen til forbrenningskammeret kontrollert slik at det gjenværende oksygeninnholdet i eksosgassen fra forbrenningskammeret er lavere enn 2 volum %, slik som lavere enn 1.5 volum %, eller også så lav som 1 volum %.

[0050] Et viktig trekk ved foreliggende oppfinnelse er anvendelse av eksosgass som et kjølemiddel for forbrenningskammeret og for kjøling av eksosgassen som forlater forbrenningskammeret ved blanding av eksosgassen med eksosgassen som forlater forbrenningskammeret. Tradisjonelt blir luft benyttet for kjøleformål for en gassturbin, ved introduksjon av luft inn i kjølerommet mellom den ytre veggen av forbrenningskammeret og den indre veggen av mantelen, og tillate en del av luften å strømme inn i forbrenningskammeret gjennom åpninger 44 før den gjenværende delen av luften blir blandet med eksosgassen som forlater forbrenningskammeret. Ved anvendelse av luft for dette kjøleformålet resulterer imidlertid i en resulterende eksosgass / luft blanding som har et gjenværende oksygeninnhold på 12 - 14 volum %, som er alt for høyt for en effektiv CO2fangst. CO2fangsten fra en eksosgass vil være forurenset med oksygen fra eksosgassen. Nivået av oksygenkontaminasjon vil avhenge av oksygeninnholdet i eksosgassen introdusert inn i karbonfangstenheten. Ved reduksjon av innholdet av gjenværende oksygen i eksosgassen som skal bli introdusert inn i karbonfangstenheten, blir behovet for ytterligere tiltak for å redusere oksygeninnholdet i den fangede CO2betydelig redusert eller også unngått. Et oksygeninnhold på mindre enn 20 ppm er påkrevet for salg av den fangede CO2for øket oljegjenvinning (enhanced oil recovery (EOR)), og det er antatt at et oksygeninnhold i den fangede CO2ved dette nivået er oppnåelig ved anvendelse av fremgangsmåten anlegget ifølge foreliggende oppfinnelse.

[0051] Ifølge en utførelsesform av foreliggende anlegg, er oksygenenheten en elektrolytisk enhet for fremstilling av oksygen og hydrogen ved elektrolyse av vann. Den produserte oksygen blir så introdusert inn i linje 7 som beskrevet ovenfor, mens det produserte hydrogen enten kan bli eksportert fra anlegget som sådan, eller bli introdusert inn i et anlegg for fremstilling av metanol for eksport fra anlegget for f.eks. brenselsformål.

[0052] Sammenliknet med løsningen ifølge WO2005045316 som nevnt ovenfor, har omfattende simuleringer verifisert at effektiviteten oppnådd ved foreliggende løsning ved bruk av en liten kjele og hvor et meste av energien blir generert ved ekspansjon av eksosgass, er betydelig høyere enn tidligere kjente løsninger omfattende en stor kjele og hvor hoveddelen av energien blir generert i dampturbinen.

Eksempel

[0053] Simuleringsberegninger for et anlegg ifølge figur 1 har blitt gjennomført. Eksosgass blir mottatt fra et 960 MWtermisk, tilsvarende omkring 580 MWeiektrisk, kombinert syklus gassturbinanlegg som genererer omkring 204 tonn CC^/t. Eksosgassen som har et oksygeninnhold på 12.5 % blir introdusert inn i den innkommende eksosgasslinjen 1 i en mengde på 800 kg/s, og en temperatur på 225 °C.

[0054] Den innkommende eksosgassen blir komprimert til et trykk på omkring 40 bara og 120 MWtermiskblir tatt ut som damp fra mellomkjøleren IC. Den komprimerte eksosgassen blir introdusert inn i forbrenningskammeret 18 for forbrenning av brensel, som naturgass, i en mengde på 25 kg/s gjennom brensel-linjen 6. Omkring 270 kg/s av eksosgass forbehandlet og avkjølt i gassbehandlingsenheten 11, med en oksygenkonsentrasjon på omkring 2%, blir introdusert som kjølegass inn i forbrenningskammeret, som beskrevet i forbindelse med figur 3.

[0055] Forbrenningsgassen fra forbrenningskammeret 18, omkring 1095 kg/s, ved et trykk på 40 bar, en temperatur på omkring 1250 °C og omkring 2% oksygenkonsentrasjon, blir introdusert via linje 8 inn i en ekspander 9. Fagpersonen vil forstå at ekspander 9 foretrukket er en ekspander som har to eller flere trinn, og blir ekspandert til et trykk på omkring 7.5 to 12 bara. Forbrenningsgassen som forlater ekspanderen 9 blir ledet til gassbehandlingsenheten 11, hvor gassen blir forbehandlet og kjølt som beskrevet ovenfor.

[0056] Etter forbehandling og kjøling til en temperatur på omkring 100 °C, blir forbrenningsgassen trukket ut gjennom linje 13. Av den totale 1095 kg/s forbrenningsgassen som haren oksygenkonsentrasjon på omkring 2 % i linje 13, blir 270 kg/s trukket ut gjennom resirkuleringslinjen 25, komprimert i kompressor 27, avkjølt i kjøler 28, og blir introdusert inn i forbrenningskammeret gjennom linje 28, som kjølegass som beskrevet ovenfor med referanse til figur 3. Den resirkulerte eksosgassen utgjør omkring 27 % av den totale gassmengden introdusert inn i forbrenningskammeret.

[0057] Den gjenværende 825 kg/s forbrenningsgassen i linje 13 blir introdusert inn

i CO2fangstenheten, hvor omkringl 15 kg/s CO2blir fanget til en kostnad på omkring 65 MWeiektrisk. CO2arm eksosgass blir trukket ut gjennom linje 16, blir gjenoppvarmet i gassbehandlingsenheten mot den varme forbrenningsgassen, og deretter ekspandert over ekspanderen 20. Damp ved en temperatur på omkring 400 °C blir generert i varmegjenvinnings dampgeneratoren 24, før den CO2arme eksosgassen blir frigitt til omgivelsene.

[0058] Denne enheten benytter 800 kg/s eksosgass fra det ovenfor nevnte kombinerte gassturbin kraftanlegget og brenselgass tilsvarende 1200 MW termisk for å gi 618 MW elektrisk kraft, etter fratrekk av kraft for ekstraksjon og kompresjon av CO2, og 412 ton CO2per time. Sammen med det opprinnelige kombinerte gassturbin kraftanlegget blir effektiviteten for generering av elektrisk kraft omkring 55%, basert på lavere varmeverdi etter fratrekk for kraft for ekstraksjon og kompresjon av 90 % av den produserte CO2. En elektrisk effektivitet på 55% er ansett å være meget høy. Til sammenlikning er det fastslått i Report 2007-087 "European CO2Test Centre Mongstad - valuation report", ved Econ på oppdrag av Petroleums- og Energidepartementet, side 26, første hele avsnitt, at målet for Test Centre Mongstad er å redusere den "elektriske straffen ", og være i stand til å øke den elektriske effektiviteten fra 46 til 50 %.

[0059] I tillegg, har CO2produktet et lavt innhold av oksygen, takket være det lave oksygeninnholdet til eksosgassen fra denne prosessen, og er derfor mulig å benytte takket være det lave oksygeninnholdet av eksosgassen fra denne prosessen, og er derfor mulig å benytte for øket oljegjenvinning.

[0060] Fagpersonen vil forstå at alle kompressorer og ekspanderer / turbiner nevnt i foreliggende beskrivelse kan omfatte ett eller flere trinn og / eller en eller flere enheter i parallell og/eller i serie ifølge det spesifikke behovet, slik som volum, trykkforskjell, etc. Fagpersonen vil også forstå at en mellomkjøler kan væra anordnet mellom forskjellige trinn i en kompressor eller mellom serielt forbundne kompressorer. Alle prosentdeler til fordeler mellom gasser er volum % dersom intet annet er spesifisert.

Claims (12)

1. En fremgangsmåte for innfangning av CO2fra en innkommende eksosgass, fremgangsmåten omfattende trinnene: a. komprimering av den innkommende eksosgass, b. introduksjon av naturgass og den innkommende eksosgassen inn i et forbrenningskammer for å fremskaffe minst en del av oksygenet som er nødvendig for forbrenning av naturgassen under betingelser som tillater forbrenning å bli startet og bli opprettholdt i forbrenningskammeret for å gi en resulterende eksosgass, c. delvis ekspandering av den resulterende eksosgassen over en ekspander, d. avkjøling av den delvis ekspandert eksosgassen, e. introdusering den delvis ekspanderte og avkjølte eksosgassen inn i en karbonfangstenhet for separering av den resulterende eksosgassen i en CO2strøm som blir eksportert fra anlegget og en CO2uttømt eksosgasstrøm, f. ekspandering av den CO2uttømte strømmen for å gi elektrisk kraft og frigiving av den ekspanderte CO2uttømte eksosgassen i omgivelsene, hvor fremgangsmåten ytterligere omfatter trinnene: g. uttrekking av en delstrøm av den delvis ekspanderte og avkjølte eksosgassen før introduksjon av den gjenværende delvis ekspanderte og avkjølte eksosgassen inn i CO2fangstenheten, h. komprimering av eksosgass delstrømmen trukket ut i trinn g), i. introdusering av den komprimerte eksosgassen inn i forbrenningskammeret som en kjølegass, og j. blanding av gassen fra trinn g) med eksosgassen som forlater forbrenningskammeret for kjøling derav.

2. Fremgangsmåten ifølge krav 1, hvori den komprimerte eksosgassen fra trinn h) blir avkjølt i en kjøler før introduksjon derav inn i forbrenningskammeret som en kjølegass.

3. Fremgangsmåten ifølge 1 eller 2, hvori en oksygeninneholdende gass blir blandet med den innkommende eksosgassen før introduksjon av den innkommende eksosgassen inn i forbrenningskammeret.

4. Fremgangsmåten ifølge krav 3, hvori den oksygeninneholdende gassen blir blandet med den innkommende eksosgassen før kompresjonstrinnet, trinn a).

5. Fremgangsmåten ifølge krav 3, hvori den oksygeninneholdende gassen blir introdusert inn i den komprimerte innkommende eksosgassen.

6. Fremgangsmåten ifølge et hvilket som helst av kravene 3 til 5, hvori den oksygeninneholdende gassen er luft, oksygen anriket luft, eller hovedsakelig ren oksygen.

7. Fremgangsmåten ifølge et hvilket som helst av de foregående kravene, hvori en del av naturgassen introdusert inn i forbrenningskammeret, og den oksygeninneholdende gassen blir introdusert separat fra den innkommende eksosgassen, for å gi en pilotflamme i forbrenningskammeret for å sikre opprettholdelsen av forbrenningen i forbrenningskammeret.

8. Fremgangsmåten ifølge krav 7, hvori den oksygeninneholdende gassen er luft, oksygenanriket luft, eller hovedsakelig ren oksygen.

9. Fremgangsmåten ifølge krav 8, hvori den oksygeninneholdende gassen er oksygenanriket luft eller hovedsakelig ren oksygen.

10. Et anlegg for innfangning av CO2fra en innkommende eksosgass, anlegget omfattende: a. en innkommende eksosgass linje (1) for introduksjon av innkommende eksosgass inn i en kompressor (3) for kompresjon av den innkommende eksosgassen, b. En høytrykks forbrenner (18) omfattende en mantel (40) som omgir et forbrenningskammer (5) hvor den komprimerte innkommende eksosgassen blir introdusert som en oksygeninneholdende gass og forbrent sammen med naturgassen under hovedsakelig støkiometrisk ratio for å gi en lavoksygen eksosgass, c. en ekspander (9) for delvis ekspandering av lav-oksygen eksosgassen, d. en CO2fangstenhet (14) for innfangning av CO2fra den delvis ekspanderte lav oksygen eksosgassen for å gi en CO2rik strøm som blir ytterligere behandlet og eksportert fra anlegget, og en strøm av CO2-arm eksosgass, e. en ekspander (20) for ytterligere ekspandering av den CO2 - arme eksosgassen, hvor ekspanderen er forbundet til en generator (21) for generering av elektrisk kraft, og f. et arm eksosgass utløp eller skorstein (23) for frigiving av ekspandert C02-arm eksosgass i omgivelsene, hvor anlegget ytterligere omfatter: g. en eksosgass resirkuleringslinje (25, 28) for uttrekking av en delstrøm av eksosgassen før introduksjon inn i CO2fangstenheten, for resirkulering av en delstrøm av eksosgassen inn i forbrenneren (18) for kjøling av forbrenningskammeret (5) og den oksygenarme eksosgassen som forlater forbrenningskammeret.

11. Anlegget ifølge krav 10, hvori en kompressor (25) er anordnet i eksosgass resirkuleringslinjen for å komprimere eksosgassen før introduksjon derav inn i forbrenningskammeret (18).

12. Anlegget ifølge krav 10 eller 11, hvori anlegget ytterligere omfatter en oksygenenhet (30) for fremstilling av oksygenanriket luft eller hovedsakelig ren oksygen.