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DE19728151A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Energie - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Energie

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DE19728151A1
DE19728151A1 DE19728151A DE19728151A DE19728151A1 DE 19728151 A1 DE19728151 A1 DE 19728151A1 DE 19728151 A DE19728151 A DE 19728151A DE 19728151 A DE19728151 A DE 19728151A DE 19728151 A1 DE19728151 A1 DE 19728151A1
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carbon dioxide
stream
mol
rich
exhaust gas
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DE19728151A
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Wolfgang Dipl Phys Foerg
Rudolf Dipl Ing Stockmann
Pentti Paurola
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Linde GmbH
Equinor ASA
Original Assignee
Linde GmbH
Den Norske Stats Oljeselskap AS
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Publication date
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Energie mittels des Gasturbinenprinzips, vorzugsweise mittels einer Gasturbine, wobei weder gasförmiges Kohlendioxid noch NOx-Schadstoffe anfallen. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.
Aufgrund politischer Zielsetzungen, die die Verringerung des Kohlendioxidausstoßes zum Ziel haben, haben einige Länder zwischenzeitlich Steuern auf den Ausstoß von Kohlendioxid eingeführt. So hat die Norwegische Regierung z. B. eine Kohlendioxid- Steuer von ca. 50 US-$ pro Tonne Kohlendioxid festgesetzt. In den EU-Staaten wird gegenwärtig eine Kohlendioxid-Steuer von ca. 24 US-$ pro erzeugter Tonne Kohlendioxid diskutiert.
Kohlendioxid ist z. B. im Abgas von Gasturbinen enthalten. Jedoch ist dieses Kohlendioxid-haltige Abgas für die Rückgewinnung von Kohlendioxid wenig geeignet, da das Verhältnis der eingesetzten Luftmenge zu der benötigten Verbrennungsluft in einem Bereich zwischen 3,0 und 3,5 liegt. Daraus resultiert eine Kohlendioxidkonzen­ tration von lediglich 3,0 bis 3,5 Mol-%. Für die Abtrennung bzw. Rückgewinnung derartig geringer Mengen an Kohlendioxid eignet sich z. B. das sogenannte ECONAMINE-Verfahren, bei dem das Kohlendioxid mittels Aminen absorbiert wird; siehe z. B. "The Fluor Daniel ECONAMINE FG-Process; Past Experience ans Present Day Focus" by Sander M.T. und Mariz C.L., veröffentlicht in Energy Convers Mgmt., Vol. 33, No. 5-8, Seiten 341 bis 348. Für ein derartiges, auf Aminen basierendes Absorptionsverfahren sind Rückgewinnungsraten zwischen 85 und 95% typisch. Nachteilig ist jedoch, daß ein Amin-Salz-Reststrom anfällt, der aufwendig entsorgt werden muß.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen von Energie anzugeben, bei dem bzw. bei der weder gasförmiges Kohlendioxid noch NOx-Schadstoffe anfallen. Desweiteren soll auf den Einsatz von Absorptionsstoffen, die als Waschmittel dienen, verzichtet werden können.
Dies wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, daß
  • a) ein 95 bis 99,5 Mol-% Sauerstoff-reicher Strom und ein 90 bis 99 Mol-% Kohlendioxid-reicher Strom mittels eines Ejektors zu einem Strom vermischt und dieser anschließend verdichtet wird,
  • b) der verdichtete Strom mit einem Kohlenwasserstoff-reichen Brenngasstrom verbrannt wird,
  • c) der im wesentlichen lediglich Kohlendioxid und Wasserdampf aufweisende Abgasstrom aus dem Verfahrensschritt b) energieerzeugend entspannt wird,
  • d) aus dem entspannten Abgasstrom das Wasser abgetrennt wird,
  • e) das verbleibende Kohlendioxid soweit erforderlich als Kohlendioxid-reicher Strom über den Ejektor wieder zurückgeführt wird,
  • f) das restliche Kohlendioxid, vorzugsweise durch die Zugabe von Methanol und/oder Glykol oder mittels Adsorption, getrocknet, auf einen Druck zwischen 50 und 500 bar, vorzugsweise zwischen 250 und 350 bar, gepumpt und in die Tiefsee, in einen "Aquifier", in ein ausgebeutetes Öl-/Gasreservoire und/oder in ein noch in Betrieb befindliches Öl-/Gasreservoire geleitet wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt
  • a) wenigstens einen Ejektor, in dem ein 95 bis 99,5 Mol-% Sauerstoff-reicher Strom und ein 90 bis 99 Mol-% Kohlendioxid-reicher Strom zu einem Strom vermischt werden,
  • b) wenigstens einen Verdichter, in dem der Strom verdichtet wird,
  • c) wenigstens eine Brennkammer, in der der verdichtete Strom mit einem Kohlenwasserstoff-reichen Brenngasstrom verbrannt wird,
  • d) wenigstens eine Entspannungsturbine, in der der lediglich Kohlendioxid und Wasserdampf aufweisende Abgasstrom aus der bzw. den Brennkammer(n) entspannt wird,
  • e) Mittel zum Abtrennen von Wasser aus dem entspannten Abgasstrom,
  • f) Mittel zum Rückführen von Kohlendioxid zu dem Ejektor,
  • g) Mittel zum Trocknen des nicht zu dem Ejektor zurückgeführten Kohlendioxids, Pumpen, um das getrocknete Kohlendioxid auf einen Druck zwischen 50 und 500 bar, vorzugsweise zwischen 250 und 350 bar zu pumpen, und Mittel zum Speichern des flüssigen Kohlendioxids.
Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie weitere Ausgestaltungen des- bzw. derselben, die Gegenstände der Unteransprüche darstellen, seien anhand der Figur näher erläutert.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die bisher einer Gasturbine zugeführte Verbrennungsluft durch einen 95 bis 99,5 Mol-% Sauerstoff-reichen Strom ersetzt. Entsprechend der benötigten Menge an diesem Sauerstoff-reichen Strom wird für die Bereitstellung eine kryogene Luftzerlegungsanlage, eine Pressure Swing Adsorption- oder Temperature Swing Adsorption-Anlage und/oder eine Membrananlage vorgesehen. Aufgrund einer nahezu stöchiometrischen Verbrennung des Sauerstoff-reichen Stromes mit einem 90 bis 99 Mol-% Kohlendioxid-reichen Strom weist das die Gasturbine verlassende Abgas lediglich Kohlendioxid und Wasserdampf auf.
Über Leitung 1 wird der 95 bis 99,5 Mol-% Sauerstoff-reiche Strom einem Ejektor 2 zugeführt. Über Leitung 20 und Regelventil a wird dem Ejektor 2 zusätzlich ein 90 bis 99 Mol-% Kohlendioxid-reicher Strom, auf dessen Ursprung im folgenden noch näher eingegangen werden wird, zugeführt. Durch das Vermischen dieser beiden Ströme in dem Ejektor 2 werden für die Verbrennung möglichst homogene Bedingungen erreicht. Die Menge des rückgeführten Kohlendioxid-reichen Stromes sowie die Menge des zugeführten Sauerstoff-reichen Stromes ist durch die Sauerstoff-Menge des in dem Ejektor 2 erzeugten Stromes 3 begrenzt.
Der den Ejektor 2 verlassende Strom 3 weist vorzugsweise weniger als 5 Mol-% Stickstoff, 13 bis 20 Mol-% Sauerstoff und 70 bis 87 Mol-% Kohlendioxid sowie ein Molekulargewicht zwischen 35 und 43 auf.
Dieser Strom 3 wird in der Gasturbine verdichtet 4 und anschließend über Leitung 5 der Brennkammer 6 der Gasturbine zugeführt. Als Kohlenwasserstoff-reicher Brenngasstrom werden der Brennkammer 6 über Leitung 7 vorzugsweise Erdgas, synthetisch es Erdgas oder flüssige Kohlenwasserstoffe zugeführt. Durch den verwendeten Brennstoff wird letztendlich die Menge an benötigten Sauerstoff bestimmt, die notwendig ist, um den Brenner in Betrieb zu halten.
Der im wesentlichen lediglich Kohlendioxid und Wasserdampf aufweisende Abgasstrom aus der Brennkammer 6 wird in einer Entspannungsturbine 8 entspannt und dabei letztendlich mechanische und/oder elektrische Energie erzeugt (Prinzip der Gasturbine); mittels dieser Entspannungsturbine 8 wird z. B. ein Generator 9 angetrieben.
Der Abgasstrom 10 verläßt die Turbine mit einer Temperatur zwischen 450 und 650°C. In einem Wärmetauscher 11 wird die Temperatur des Abgasstromes 10 bis auf ca. 100 bis 125°C erniedrigt. Dies geschieht im Gegenstrom zu einem Hochdruckdampf­ kreislauf 52 bzw. 55, in dem eine energieerzeugende Entspannungsturbine 53 sowie ein Wärmetauscher 54, in dem der Hochdruckstrom vorzugsweise gegen Kühlwasser abgekühlt wird, vorgesehen sind.
Das so abgekühlte Abgas wird einer ersten Trennstufe, vorzugsweise einem Abscheider 13, zugeführt. Aus dem Abscheider 13 wird über Leitung 15, in der eine Pumpe 50 sowie ein Regelventil b vorgesehen sind, eine Wasser-reiche Kondensatfraktion abgezogen. Diese Wasser-reiche Kondensatfraktionen wird vorzugsweise einer Abwasseraufbereitung zugeführt. Der über Leitung 14 aus dem Abscheider 13 abgezogene Kohlendioxid-reiche Gasstrom wird im Verdichter 16 auf ca. 1,7 bar verdichtet, im Kühler 17 auf 8 bis 30°C abgekühlt und anschließend einer zweiten Trennstufe, vorzugsweise einem Abscheider 18, zugeführt.
Aus dem Abscheider 18 wird wiederum eine Wasser-reiche Kondensatfraktion über Leitung 41, in der eine Pumpe 51 sowie ein Regelventil c vorgesehen sind, abgezogen. Die aus dem Abscheider 18 über Leitung 19 abgezogene Kohlendioxid­ reiche Gasfraktion wird in zwei Teilströme 20 bzw. 22 aufgetrennt.
Der erste Teilstrom 20 wird, wie bereits beschrieben, über das Regelventil a dem Ejektor 2 als 90 bis 99 Mol-% Kohlendioxid-reicher Strom zugeführt. Dieser Kohlendioxid-reiche Rückführstrom 20 dient im wesentlichen als "Antriebskraft" für den Ejektor 2 um einen möglichst niedrigen Eingangsdruck für den Sauerstoff-reichen Strom, der dem Ejektor 2 über Leitung 1 zugeführt wird, zu ermöglichen. Dadurch wird der Energiebedarf der Zerlegungsanlage, die der Bereitstellung des Sauerstoff-reichen Stromes dient, verringert. Wird für die Bereitstellung des Sauerstoff-reichen Stromes in Leitung 1 eine kryogene Luftzerlegungsanlage verwendet, so kann der Verdichter 4 der Gasturbine 8 mit dem bzw. den Axialverdichten der Luftzerlegungsanlage verbunden werden, was zu einer Verringerung der Investitionskosten führt. Denkbar ist ferner, daß der Axialverdichter der kryogenen Luftzerlegungsanlage über die Entspannungsturbine 53 angetrieben wird.
In der Leitung 3 ist ein in der Figur nicht dargestelltes Analysegerät vorgesehen, mittels dessen der Sauerstoffgehalt des im Ejektor 2 erzeugten Stromes 3 fortlaufend gemessen und überwacht werden kann. Anhand des Sauerstoffgehaltes wird mittels des Regelventiles a die Menge des über die Leitung 20 rückgeführten Kohlendioxid eingestellt.
Der zweite Teilstrom 22 der aus dem Abscheider 18 abgezogenen Kohlendioxid­ reichen Gasfraktion wird in der ersten Stufe 21 eines dreistufigen Kohlendioxid- Verdichters auf 5 bis 7 bar verdichtet und anschließend im Zwischenkühler 23, vorzugsweise gegen Kühlwasser, auf eine Temperatur zwischen 8 und 30°C abgekühlt. Aus dem (Saug-)Abscheider 24, der dem Zwischenkühler 23 nachgeschaltet ist, wird über Leitung 25, in der ein Regelventil d vorgesehen ist, ein Wasser-reiches Kondensat abgezogen.
Aus dem Abscheider 24 wird über Leitung 26 eine Kohlendioxid-reiche Gasfraktion abgezogen und in der zweiten Verdichterstufe 27 des Kohlendioxid-Verdichters auf 18 bis 20 bar verdichtet. Anschließend erfolgt im Zwischenkühler 28 ein Abkühlen auf 8 bis 30°C. Aus dem Abscheider 29, der dem Zwischenkühler 28 nach geschaltet ist, wird über Leitung 32, in der ein Regelventil e vorgesehen ist, wiederum ein Wasser-reiches Kondensat abgezogen.
Die erwähnten Wasser-reichen Kondensatfraktionen aus den Leitungen 25, 32 und 41 werden über Leitung 51 der Trennstufe 13 zugeführt. Sie werden auf diese Weise über die ebenfalls bereits erwähnte Leitung 15, über die eine Wasser-reiche Kondensatfraktion aus der Trennstufe 13 abgezogen wird, aus dem Verfahren bzw. der Anlage abgeführt.
Aus dem Abscheider 29 wird über Leitung 33 wiederum eine Kohlendioxid-reiche Gasfraktion abgezogen und in der dritten Stufe 30 des Kohlendioxidverdichters auf eine Druck zwischen 58 und 61 bar verdichtet. Sowohl die drei Verdichterstufen des Kohlendioxidverdichters als auch gegebenenfalls der Verdichter 16 werden z. B. von einem (Elektro-)Motor 31 angetrieben.
Nach der Verdichtung in der dritten Stufe 30 des Kohlendioxidverdichters wird die Kohlendioxid-reiche Fraktion einem Kondensator 34 und anschließend einem Kohlendioxid-Sammelbehälter 35 zugeführt. Zwischen dem Kondensator 34 und dem Kohlendioxid-Sammelbehälter 35 wird dem Kohlendioxid-reichen Strom über Leitung 42 ein Trocknungsmittel, vorzugsweise Methanol oder Glykol, zugeführt. Durch die Zuführung dieses Trocknungsmittels wird erreicht, daß das Kohlendioxidprodukt, das dem Kohlendioxid-Sammelbehälter 35 zugeführt wird, ausreichend trocken ist.
Alternativ dazu kann die Zuführung des Trocknungsmittels z. B. auch nach der zweiten Verdichterstufe erfolgen. Denkbar ist ferner, daß als alternative Trocknungsmethode ein Adsorptionsprozeß, bei dem die Trocknung z. B. mittels eines Molsiebes erfolgt, vorgesehen ist. Nichtkondensierbare Komponenten des Kohlendioxid-reichen Stromes, der dem Sammelbehälter 35 zugeführt wird, werden über Leitung 39 abgezogen und über einen Kamin 40 an die Atmosphäre abgegeben.
Der Druck innerhalb des Kohlendioxid-Sammelbehälters 35 wird über das Kohlendioxid-Niveau in dem Sammelbehälter 35 und durch die Abgabe von nichtkondensierbaren Komponenten über Leitung 39 geregelt.
Das aus dem Kohlendioxid-Sammelbehälter 35 über Leitung 36 abgezogene getrocknete Kohlendioxid-Produkt wird mittels wenigstens einer Pumpe 37 auf einen geeigneten Druck von 50 und 500 bar, vorzugsweise von 250 bis 350 bar gepumpt.
Über ein Regelventil f wird das flüssige Kohlendioxid-Produkt anschließend z. B. in die Tiefsee, in einen "Aquifier", in ein ausgebeutetes Öl-/Gasreservoire und/oder in ein noch in Betrieb befindliches Öl-/Gasreservoire eingelöst bzw. geleitet. Prinzipiell kann das flüssige Kohlendioxid-Produkt selbstverständlich weiteren möglichen "Lagerstätten" zugeführt werden.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Kohlendioxid-Rückgewinnungsrate von bis zu 99% erzählt. Im Vergleich zu bekannten Verfahren zur Kohlendioxid-Rückgewinnung verringern sich sowohl die Investitions- als auch die Betriebskosten des Verfahrens bzw. der Anlage. Der Energieverlust bezogen auf eine bestimmte, zu erzeugende Energiemenge ist verglichen mit einem eingangs erläuterten "Amin-Absorptionsverfahren" geringer. Das Abgas aus der Verbrennungskammer 6 ist zudem frei von NOx-Schadstoffen. Desweiteren fällt, im Gegensatz zu dem erwähnten "Amin-Absorptionsverfahren", kein Amin-reicher Reststrom", der einer aufwendigen Nachreinigung bzw. Entsorgung unterworfen werden muß, an.

Claims (14)

1. Verfahren zum Erzeugen von Energie mittels des Gasturbinenprinzips, vorzugsweise mittels einer Gasturbine, wobei weder gasförmiges Kohlendioxid noch NOx-Schadstoffe anfallen, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) ein 95 bis 99,5 Mol-% Sauerstoff-reicher Strom (1) und ein 90 bis 99 Mol-% Kohlendioxid-reicher Strom (20) mittels eines Ejektors (2) zu einem Strom (3) vermischt und dieser anschließend verdichtet wird (4),
  • b) der verdichtete Strom (3) mit einem Kohlenwasserstoff-reichen Brenngasstrom (7) verbrannt wird (6),
  • c) der im wesentlichen lediglich Kohlendioxid und Wasserdampf aufweisende Abgasstrom aus dem Verfahrensschritt b) energieerzeugend entspannt wird (8),
  • d) aus dem entspannten Abgasstrom (10, 20) das Wasser abgetrennt wird (13, 18),
  • e) das verbleibende Kohlendioxid soweit erforderlich als Kohlendioxid-reicher Strom (20) über den Ejektor (2) wieder zurückgeführt wird,
  • f) das restliche Kohlendioxid (22), vorzugsweise durch die Zugabe von Methanol und/oder Glykol (42) oder mittels Adsorption, getrocknet, auf einen Druck zwischen 50 und 500 bar, vorzugsweise zwischen 250 und 350 bar, gepumpt und in die Tiefsee, in einen "Aquifier", in ein ausgebeutetes Öl-/Gasreservoire und/oder in ein noch in Betrieb befindliches Öl-/Gasreservoire geleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem Ejektor (2) erzeugte Strom (3) weniger als 5 Mol-% Stickstoff, 13 bis 20 Mol-% Sauerstoff und 70 bis 87 Mol-% Kohlendioxid sowie ein Molekulargewicht zwischen 35 und 43 aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der 95 bis 99,5 Mol-% Sauerstoff-reiche Strom (1) kryogen, adsorptiv und/oder permeativ erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenwasserstoff-reicher Brenngasstrom (7) Erdgas, synthetisch es Erdgas, flüssige Kohlenwasserstoffe, etc. verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der entspannte Abgasstrom (10) gegen einen offenen oder geschlossenen energieerzeugenden Abwärmenutzungskreislauf (52, 53, 54, 55) abgekühlt wird (11).
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der entspannte, Kohlendioxid- und Wasser-reiche Abgasstrom (10, 20) ein- oder mehrstufig von Wasser befreit wird (13,18).
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das restliche Kohlendioxid (22) ein- oder mehrstufig von Wasser befreit wird (24, 29).
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das abgetrennte Wasser (15, 41, 25, 32) einer Abwasseraufbereitung zugeführt wird (56).
9. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Erzeugen von Energie mittels des Gasturbinenprinzips, vorzugsweise mittels einer Gasturbine nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend
  • a) wenigstens einen Ejektor (2), in dem ein 95 bis 99,5 Mol-% Sauerstoff-reicher Strom (1) und ein 90 bis 99 Mol-% Kohlendioxid-reicher Strom (20) zu einem Strom (3) vermischt werden,
  • b) wenigstens einen Verdichter (4), in dem der Strom (3) verdichtet wird,
  • c) wenigstens eine Brennkammer (6), in der der verdichtete Strom (3) mit einem Kohlenwasserstoff-reichen Brenngasstrom (7) verbrannt wird,
  • d) wenigstens eine Entspannungsturbine (8), in der der lediglich Kohlendioxid und Wasserdampf aufweisende Abgasstrom aus der bzw. den Brennkammer(n) (6) entspannt wird,
  • e) Mittel zum Abtrennen von Wasser (13,18) aus dem entspannten Abgasstrom (10, 20),
  • f) Mittel zum Rückführen (19, 20) von Kohlendioxid zu dem Ejektor (2),
  • g) Mittel zum Trocknen des nicht zu dem Ejektor (2) zurückgeführten Kohlendioxids (22), Pumpen (37), um das getrocknete Kohlendioxid (36) auf einen Druck zwischen 50 und 500 bar, vorzugsweise zwischen 250 und 350 bar zu pumpen, und Mittel zum Speichern des flüssigen Kohlendioxids.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur kryogenen, adsorptiven und/oder permeativen Erzeugung des 95 bis 99,5 Mol-% Sauerstoff­ reichen Stromes (1) vorhanden sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Abwärmenutzung des die Entspannungsturbine (8) verlassenden Abgasstromes (10) vorhanden sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Abwärmenutzung des die Entspannungsturbine (8) verlassenden Abgasstromes (10) als wenigstens ein offener oder geschlossener energieerzeugenden Abwärmenutzungskreislauf (52, 53, 54, 55) ausgebildet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Abtrennen von Wasser (13,18) aus dem entspannten Abgasstrom (10, 20) als wenigstens eine, vorzugsweise wenigstens zwei, hintereinander angeordnete Trennkolonnen (13, 18) ausgebildet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Aufbereiten des abgetrennten Wassers (15, 41, 25, 32) vorhanden sind.
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