DE102007050783A1

DE102007050783A1 - Systeme und Verfahren zur Energieerzeugung mit Kohlendioxydisolation

Info

Publication number: DE102007050783A1
Application number: DE102007050783A
Authority: DE
Inventors: Matthias Finkenrath; Michael Bartlett
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2007-10-24
Publication date: 2008-05-08
Also published as: JP5043602B2; US7739864B2; CN101187338A; CN101187338B; JP2008115863A; CH702225B1; US20080104938A1

Abstract

Ein Energieerzeugungssystem (10) beinhaltet ein erstes Turbinensystem (11). Das erste Turbinensystem (11) weist eine erste Verdichtersektion (12) mit wenigstens zwei Stufen auf. Die beiden Stufen beinhalten einen Niederdruckverdichter (14), der fluidmäßig an einen ersten Hochdruckverdichter (16) angekoppelt ist, welcher dazu ausgelegt ist, einen ersten Anteil verdichteten Oxidationsmittels und einen zweiten Anteil verdichteten Oxidationsmittels zu liefern. Eine erste Brennkammer (22) ist dazu eingerichtet, den ersten Anteil verdichteten Oxidationsmittels und einen Brennstoff auf Kohlenstoffbasis enthaltenden ersten Brennstoffstrom zu verbrennen und ein erstes heißes Verbrennungsgas (31) zu erzeugen. Das erste Turbinensystem (11) beinhaltet außerdem eine erste Expansionssektion (18) mit einem Einlass zur Aufnahme des ersten heißen Verbrennungsgases (31), die ein erstes CO2-reiches expandiertes Abgas (38) erzeugt. Eine erste Hochdruckexpansionsmaschine (20) ist fluidmäßig mit einer ersten Niederdruckexpansionsmaschine (22) gekoppelt, die dazu eingerichtet ist, ein erstes Abgas (52) und elektrische Energie zu erzeugen. Ein CO2-Abscheidesystem (28) ist fluidmäßig an die Hochdruckexpansionsmaschine (20) so angekoppelt, dass sie das erste expandierte Abgas (38) von der ersten Hochdruckexpansionsmaschine (20) erhält und ein CO2-armes Gas (46) liefert, das dann der ersten Niederdruckexpansionsmaschine (22) zugeleitet wird. Das Energieerzeugungssystem (10) beinhaltet ...

Description

Hintergrund
Die Erfindung betrifft allgemein die Energieerzeugung und die wirksame Rückgewinnung von Kohlendioxyd. Mehr im Einzelnen bezieht sich die Erfindung auf die Integration von Gasturbinenabgasverdichtung und -rezirkulation mit einer Kohlendioxydsabscheidung und -rückgewinnung.
Energieerzeugungssysteme, die Kohlenstoff enthaltene Brennstoffe, bspw. fossile Brennstoffe verbrennen, erzeugen Kohlendioxyd (CO₂) als Nebenprodukt bei der Verbrennung, wenn Kohlenstoff in CO₂ umgesetzt wird. Kohlendioxyd (CO₂)-Emissionen von fossile Brennstoffe verwendenden Kraftwerken werden durch nationale und internationale Vorschriften wie das Kyoto-Protokoll und das EU Emission Trading Scheme in zunehmendem Maße belastet. Mit den zunehmenden Kosten für die Emittierung von CO₂ ist die Reduktion der CO₂-Emission für eine wirtschaftliche Energieerzeugung zunehmend wichtig. Die Entfernung oder Rückgewinnung des Kohlendioxyds (CO₂) aus Krafterzeugungssystemen, etwa aus dem Abgas einer Gasturbine, ist wegen des niedrigen CO₂-Gehalts und des niedrigen (Umgebungs-) Druckes der Abgase in der Regel nicht wirtschaftlich. Deshalb wird das das CO₂ enthaltende Abgas typischerweise in die Atmosphäre abgelassen und wird nicht in Meeren, Bergwerkstollen, Ölquellen, geologischen Salzlagerstätten und dergleichen verwahrt.
Gasturbinenanlagen arbeiten nach dem Brayton-Kreisprozess. Sie verwenden einen Verdichter zur Verdichtung der Einlassluft stromaufwärts einer Brennkammer. Sodann wird der Brennstoff eingeführt und gezündet, um ein Gas hoher Temperatur und hohen Druckes zu erzeugen, das in die Turbinenstufe einströmt und in diese expandiert. Die Turbinenstufe treibt sowohl den Generator als auch den Verdichter an. Mit Verbrennung arbeitende Turbinen können auch einen großen Bereich flüssiger und gasförmiger Brennstoffe, von Rohöl bis Erdgas verbrennen.
Es gibt gegenwärtig drei allgemein anerkannte Wege, die zur Verringerung der CO₂-Emissionen aus solchen Kraftwerken benutzt werden. Das erste Verfahren besteht darin, CO₂ nach der Verbrennung mit Luft aus dem Abgas abzuscheiden, wobei das während der Verbrennung erzeugte CO₂ durch einen Absorptionsprozess, Membranen, Diaphragmen, kryogene Prozesse oder deren Kombinationen von den Abgasen abgeschieden wird, Dieses üblicherweise als Abscheidung nach der Verbrennung bezeichnete Verfahren konzentriert sich in der Regel darauf, CO₂-Emissionen aus dem atmosphärischen Abgas eines Kraftwerks zu verringern. Ein zweites Verfahren beinhaltet die Reduktion des Kohlenstoffgehaltes des Brennstoffs. Bei diesem Verfahren wird der Brennstoff zuerst vor der Verbrennung in H₂ und CO₂ umgesetzt. Damit wird es möglich den Kohlenstoffgehalt des Brennstoffes vor dem Eintritt in die Gasturbine zu erfassen. Ein drittes Verfahren beinhaltet einen Brennstoffoxidationsprozess. Bei diesem Verfahren wird im Gegensatz zu Luft reiner Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet, womit sich ein Verbrennungsgas ergibt, das aus Kohlendioxyd und Wasser besteht.
Der hauptsächliche Nachteil der Verfahren mit CO₂-Abscheidung nach der Verbrennung liegt darin, dass der CO₂-Partialdruck wegen der geringen CO₂-Konzentration in dem Verbrennungsgasgas (typischerweise 3-4 Volumen% bei mit Erdgas beheizten Kraftwerken) sehr niedrig ist und dass deshalb große und teure Anlagen zur Abscheidung des CO₂ erforderlich sind. Wenngleich die CO₂-Konzentration an dem Schornstein und damit der Partialdruck durch partielle Rezirkulation des Rauchgases zu dem Verdichter der Gasturbine erhöht werden könnte, bleibt er dennoch ziemlich niedrig (etwa 6-10 Volumen%). Die niedrigen CO₂-Partialdrücke und die großen Gasvolumina, die mit der Art der Abscheidung nach der Verbrennung implizit verbunden sind, führen zu sehr hohen Energiekosten bei der CO₂-Abscheidung zusätzlich zu sehr viel Platz beanspruchenden und teuren Anlagen. Beide dieser Faktoren erhöhen die Kosten der Elektrizitätserzeugung beträchtlich. Es besteht deshalb ein Bedürfnis nach einer Technik, die eine wirtschaftliche Gewinnung des von Energieerzeugungssystemen (bspw. Gasturbinen), die mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen arbeiten, abgegebenen CO₂.
Kurze Beschreibung
Unter einem Aspekt weist ein Energieerzeugungssystem ein erstes Turbinensystem auf. Das erste Turbinensystem beinhaltet eine erste Verdichtersektion, die wenigstens zwei Stufen enthält. Die beiden Stufen beinhalten einen ersten Niederdruckverdichter, der fluidmäßig mit einem ersten Hochdruckverdichter gekoppelt ist, welcher dazu ausgelegt ist, einen ersten Anteil verdichteten Oxidationsmittels und einen zweiten Anteil verdichteten Oxidationsmittels zu liefern. Eine erste Brennkammer ist dazu ausgelegt, den ers ten Anteil verdichteten Oxidationsmittels und der einen ersten Brennstoff auf Kohlenstoffbasis enthaltenden Brennstoffstrom zu verbrennen und ein erstes heißes Verbrennungsgas zu erzeugen. Das erste Turbinensystem weist außerdem eine erste Expansionssektion mit einem Einlass zur Aufnahme des ersten heißen Verbrennungsgases und zur Erzeugung eines CO₂-reichen ersten expandierten Abgases auf. Die erste Hochdruckexpansionsmaschine ist fluidmäßig an eine erste Niederdruckexpansionsmaschine angekoppelt, die dazu ausgelegt ist, ein erstes Abgas und elektrische Energie zu erzeugen. An die Hochdruckexpansionsmaschine ist ein CO₂-Abscheidesystem fluidmäßig angekoppelt, derart, dass es das erste expandierte Abgas von der ersten Hochdruckexpansionsmaschine aufnimmt und ein CO₂-armes Gas abgibt, das dann der ersten Niederdruckexpansionsmaschine zugeleitet wird. Das Energieerzeugungssystem beinhaltet außerdem ein zweites Turbinensystem mit einer zweiten Verdichtersektion, die wenigstens zwei Stufen aufweist. Die beiden Stufen beinhalten einen zweiten Niederdruckverdichter, der fluidmäßig mit einem zweiten Hochdruckverdichter gekoppelt ist, wobei der Hochdruckverdichter dazu ausgelegt ist, den zweiten Anteil verdichteten Oxidationsmittels aufzunehmen. Eine zweite Brennkammer ist dazu eingerichtet, einen, Brennstoffe auf Kohlenstoffbasis enthaltenden zweiten Brennstoffstrom zu verbrennen und ein zweites heißes Verbrennungsgas zu erzeugen, während eine zweite Expansionssektion dazu ausgelegt ist, das zweite heiße Verbrennungsgas aufzunehmen und ein zweites Endabgas und elektrische Energie zu erzeugen. Die zweite Verdichtersektion ist dazu ausgelegt, das Kohlendioxyd enthaltende zweite Endabgas aufzunehmen und einen Rezirkulationsstrom aus dem zweiten Hochdruckverdichter zu der zweiten Brennkammer und einen Abzweigstrom von dem zweiten Niederdruckverdichter zu dem ersten Hochdruckverdichter abzugeben.
Unter einem anderen Aspekt beinhaltet ein Energieerzeugungssysteme ein erstes Turbinensystem. Das erste Turbinensystem weist eine erste Verdichtersektion auf, die wenigstens zwei Stufen beinhaltet. Die beiden Stufen beinhalten einen ersten Niederdruckverdichter, der fluidmäßig mit einem ersten Hochdruckverdichter gekoppelt ist, wobei der erste Niederdruckverdichter dazu ausgelegt ist, einen ersten Anteil verdichteten Oxidationsmittels zu liefern und der Hochdruckverdichter zur Lieferung eines ersten verdichteten Gemischstroms ausgelegt ist. Eine erste Brennkammer ist dazu ausgelegt, einen, Brennstoffe auf Kohlenstoffbasis enthaltenden ersten Brennstoffstrom und den ersten verdichteten Gemischstrom zu verbrennen und ein erstes, heißes Verbrennungsgas zu erzeugen. Das erste Turbinensystem beinhaltet außerdem eine einen Einlass zur Aufnahme des ersten heißen Verbrennungsgases aufweisende erste Expansionssektion, die wenigstens zwei Stufen enthält. Die beiden Stufen beinhalten eine erste Hochdruckexpansionsmaschine, wobei die erste Hochdruckexpansionsmaschine fluidmäßig mit einer ersten Niederdruckexpansionsmaschine gekoppelt ist, die dazu ausgelegt ist ein erstes Endabgas und elektrische Energie zu erzeugen. Das Energieerzeugungssystem beinhaltet außerdem ein zweites Turbinensystem mit einer zweiten Verdichtersektion, die wenigstens zwei Stufen aufweist. Die beiden Stufen beinhalten einen zweiten Niederdruckverdichter, der fluidmäßig mit einem zweiten Hochdruckverdichter gekoppelt ist, wobei der Niederdruckverdichter dazu ausgelegt ist, einen Abzweigstrom zu erzeugen, während der Hochdruckverdichter zur Erzeugung eines zweiten Gemischstroms eingereichtet ist. Eine zweite Brenn kammer ist dazu ausgelegt, den zweiten Gemischstrom und einen zweiten, Brennstoffe auf Kohlenstoffbasis enthaltenden Brennstoffstrom zu verbrennen und ein zweites heißes Verbrennungsgas zu erzeugen. Eine zweite Expansionssektion ist dazu eingereichtet, das zweite heiße Verbrennungsgas aufzunehmen und ein zweites Endabgas und elektrische Energie zu erzeugen. Das Energieerzeugungssystem beinhaltet außerdem ein CO₂-Abscheidesystem, das fluidmäßig mit der ersten und der zweiten Verdichtersektion gekoppelt ist. Das CO₂-Abscheidesystem ist dazu eingerichtet, den Abzweigstrom aufzunehmen und einen CO₂-armen Strom zu erzeugen. Die zweite Verdichtersektion ist dazu ausgelegt, das Kohlendioxyd enthaltende zweite Endabgas aufzunehmen und den zweiten Gemischstrom von dem Hochdruckverdichter an die zweite Brennkammer abzugeben.
Unter einem weiteren Aspekt beinhaltet ein Verfahren zur Energieerzeugung das Verdichten eines Oxidationsmittels in einer Verdichtersektion zur Erzeugung eines ersten Anteils und eines zweiten Anteils verdichteten Oxidationsmittels und das Verbrennen eines ersten Brennstoffes und des ersten Anteils verdichteten Oxidationsmittels zur Erzeugung eines heißen Verbrennungsgases. Das Verfahren beinhaltet weiterhin das Expandieren des heißen Verbrennugsgases in einer Expansionssektion und das Erzeugen elektrischer Energie, wobei die Expansionssektion dazu ausgelegt ist, das heiße Verbrennungsgas aufzunehmen und wenigstens zwei Stufen aufweist. Die beiden Stufen beinhalten eine Hochdruckexpansionsmaschine, die dazu ausgelegt ist, ein erstes CO₂-reiches Abgas zu erzeugen. Die Hochdruckexpansionsmaschine ist fluidmäßig mit einer Niederdruckexpansionsmaschine gekoppelt, die dazu ausgelegt ist, ein erstes Endabgas und elektrische Energie zu erzeugen. Das Verfahren beinhaltet außerdem das Ab scheiden von CO₂ aus dem ersten expandierten Abgas in einem CO₂-Abscheider und das Einführen eines CO₂-armen Gases in die Niederdruckexpansionsmaschine sowie das Verdichten des zweiten Anteils verdichteten Oxidationsmittels in eine Verdichtersektion. Die Verdichtersektion weist wenigstens zwei Stufen auf. Die beiden Stufen beinhalten einen zweiten Niederdruckverdichter, der fluidmäßig mit einem zweiten Hochdruckverdichter gekoppelt ist, wobei der Hochdruckverdichter dazu ausgelegt ist, den zweiten Anteil verdichteten Oxidationsmittels zu empfangen. Das Verfahren beinhaltet außerdem das Verbrennen eines zweiten Brennstoffstroms und eines Brennstoffe auf Kohlensstoffbasis enthaltenden Rezirkulationsstroms und das Erzeugen eines zweiten heißen Verbrennungsgases, sowie das Expandieren des zweiten heißen Verbrennungsgases und das Erzeugen eines zweiten Endabgases und elektrischer Energie. Die zweite Verdichtersektion ist dazu eingerichtet, das Kohlendioxyd enthaltende zweite Endabgas aufzunehmen und den Rezirkulationsstrom von dem zweiten Hochdruckverdichter und einen Abzweigstrom von dem zweiten Niederdruckverdichter zu dem ersten Hochdruckverdichter abzugeben.
Zeichnungen
Das Verständnis dieser und anderer Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird durch die nachfolgende Beschreibung im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung erleichtert, in der gleiche Bezugszeichen in der ganzen Zeichnung gleiche Teile bezeichnen, wobei:
1 eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften Energieerzeugungssystems ist, das gemäß gewissen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zwei Turbinensysteme aufweist.
2 eine schematische Veranschaulichung eines anderen beispielhaften Energieerzeugungssystems ist, das zwei Turbinensysteme gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufweist.
3 eine schematische Veranschaulichung eines weiteren Energieerzeugungssystems ist, das zwei Turbinensysteme gemäß weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufweist; und
4 eine schematische Veranschaulichung eines noch anderen Energieerzeugungssystems ist, das zwei Turbinensysteme gemäß weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufweist.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Erläuterung beschreibt ein Verfahren zur Absenkung von CO₂-Emissionen durch Abscheidung von CO₂ bei hohen Drücken in einem Kraftwerk, das Gasturbinen zur Energieerzeugung verwendet. CO₂ wird aus den CO₂-reichen Abgasen halben Wegs auf dem Expansionsweg oder dem Verdichtungsweg einer Gasturbine entfernt. Da die Konzentration und der Partialdruck von CO₂ erhöht werden, tritt bei der CO₂-Entfernung eine geringere Energieeinbuße auf.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht zwei oder mehr beispielhafte Gasturbinensysteme vor, die in einem Energieerzeugungssystem arbeiten, wobei diese Turbinensysteme halben Wegs auf den Verdichterweg miteinander verkoppelt sind und sich eine gemeinsame Versorgung mit verdichtetem Oxidationsmittel teilen. Als Folge davon führt die Verkopplung der Gasturbinen zu einer Erhöhung der CO₂-Konzentration in dem Prozess, was für den CO₂-Abscheideprozess von Vorteil ist. Bei einem Beispiel liefert ein Verdichter in einem ersten Turbinensystem (über Leitungen) Oxidationsmittel in eine Brennkammer in dem ersten Turbinensystem und außerdem in eine Brennkammer in einem zweiten Turbinensystem. Wie im Nachfolgenden erläutert, kann dies dazu benutzt werden, die CO₂-Konzentration in dem Rezirkulationsstrom in dem zweiten Turbinensystem von dem Abgasauslass einer oder mehreren der Gasturbinen zu erhöhen. Das gewonnene CO₂ kann als Produkt zur Verwendung bei einer verbesserten Ölrückgewinnung verkauft werden oder an Ort und Stelle, bspw. als Einsatzmittel, für andere Prozesse verwendet werden. Diese CO₂-Gewinnung reduziert außerdem die Menge des von dem Energieerzeugungssystem in die Umgebung emittierten CO₂.
Bezug nehmend nun auf 1 ist dort ein beispielhaftes Energieerzeugungssystem 10 mit einem Gasturbinensystem 11 veranschaulicht. Das Gasturbinensystem 11 weist in der Regel eine erste Verdichtersektion 12 auf, die typischerweise wenigstens zwei Stufen enthält. Bei der beispielhaften Ausführungsform, wie sie in 1 dargestellt ist, beinhaltet die erste Verdichtersektion 12 einen ersten Niederdruckverdichter 14, der fluidmäßig mit einem ersten Hochdruckverdichter 16 gekoppelt ist, welcher dazu ausgelegt ist, einen ersten Anteil 34 verdichteten Oxidationsmittels und einen zweiten Anteil 36 verdichteten Oxidationsmittels zu liefern. Das erste Turbinensystem 11 beinhaltet außerdem eine erste Brennkammer 22, eine erste Expansionssektion 18 zur Lieferung der zum Antrieb der Verdichter 14, 16 und eines Generators 50 erforderlichen Energie. Die erste Brennkammer 22 ist dazu eingerichtet, den ersten Anteil verdichteten Oxidationsmittels 34 und einen Brennstoffe auf Kohlenstoffbasis enthaltenden ersten Brennstoffstrom 26 zu verbrennen und ein erstes heißes Verbrennungsgas 31 zu erzeugen.
Die erste Expansionssektion 18 weist einen Einlass zur Aufnahme des ersten Verbrennungsgases 31 auf, und ist so aufgebaut, dass sie wenigstens zwei Stufen aufweist. Die beiden Stufen beinhalten eine erste Hochdruckexpansionsmaschine 20, die dazu ausgelegt ist, ein CO₂-reiches erstes expandiertes Abgas 38 zu erzeugen. Die erste Hochdruckexpansionsmaschine ist fluidmäßig mit einer ersten Niederdruckexpansionsmaschine 22 gekoppelt, die dazu ausgelegt ist, ein erstes Endabgas 52 und elektrische Energie zu erzeugen.
Das erste Turbinensystem 11 weist außerdem ein CO₂-Abscheidesystem 28 auf, das fluidmäßig mit der ersten Hochdruckexpansionsmaschine 20 gekoppelt ist, derart, dass es das erste expandierte Abgas 38 von der ersten Hochdruckexpansionsmaschine 20 aufnimmt und ein CO₂-armes Gas 48 an die erste Niederdruckexpansionsmaschine 22 abgibt.
Das Energieerzeugungssystem beinhaltet außerdem ein zweites Turbinensystem 62 welches eine zweite Verdichtersektion 64 aufweist, die so aufgebaut ist, dass sie wenigstens zwei Stufen enthält. Die beiden Stufen beinhalten einen zweiten Niederdruckverdichter 68, der fluidmäßig mit einem zweiten Hochdruckverdichter 70 gekoppelt ist. Der zweite Hochdruckverdichter 70 ist dazu ausgelegt, den zweiten An teil 36 verdichteten Oxidationsmittels aufzunehmen und einen Rezirkulationsstrom 71 zu erzeugen. Eine zweite Brennkammer 72 ist dazu eingerichtet einen zweiten Brennstoffstrom 82 und den Brennstoffe auf Kohlenstoffbasis enthaltenden Rezirkulationsstroms 71 zu verbrennen und ein zweites heißes Verbrennungsgas 73 zu erzeugen.
Eine zweite Expansionssektion 66 ist dazu eingerichtet, das zweite heiße Verbrennungsgas aufzunehmen. Die zweite Expansionssektion 66 weist typischerweise wenigstens zwei Stufen auf, die eine zweite Hochdruckexpansionsmaschine 74 enthalten, die dazu ausgelegt ist ein zweites expandiertes Abgas 75 zu erzeugen. Die zweite Hochdruckexpansionsmaschine 74 ist fluidmäßig mit einer zweiten Niederdruckexpansionsmaschine 76 gekoppelt, die dazu ausgelegt ist, ein zweites Endabgas 88 und über einen Generator 86 elektrische Energie zu erzeugen. Bei einigen Ausführungsformen weist die zweite Expansionssektion 66 eine einzige Stufe auf.
Die zweite Verdichtersektion 64 ist dazu eingerichtet, das Kohlendioxyd enthaltende zweite Endabgas 88 aufzunehmen und den Rezirkulationsstrom 71 von dem Hochdruckverdichter 70 zu der zweiten Brennkammer 72 und einen Abzweigstrom 84 von dem Niederdruckverdichter 68 zu dem Einlass des ersten Hochdruckverdichters 16 zu liefern.
Wie bei der Ausführungsform nach 1 dargestellt, beinhaltet das CO₂-Abscheidesystem 28 vorteilhafterweise einen Wärmetauscher 40 und eine CO₂–Abscheider 44. Der CO₂-Abscheider 44 kann verschiedene, an sich bekannte Techniken benutzen, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, Druckwechseladsorption, chemische Absorption und Memb ranseparation und dergleichen. Um das CO₂ im ersten expandierten Abgasstrom 38 abzuscheiden, wird das erste expandierte Abgas 38 in den Wärmetauscher 40 eingeleitet, um die Temperatur abzusenken und ein gekühltes erstes expandiertes Abgas 42 zu erzeugen. Das gekühlte erste expandierte Abgas 42 wird in den CO₂-Abscheider 44 eingeführt, um einen CO₂-reichen Strom 110 und einen CO₂-armen Strom 46 zu erzeugen. Der CO₂-arme Strom 46 enthält außerdem CO, N₂ und nicht reagierten Brennstoff. Der CO₂-arme Strom 46 wird in den Wärmetauscher 40 eingeleitet, um den Wärmeinhalt von oder aus dem ersten expandierten Abgas 38 rückzugewinnen und einen erhitzten CO₂-armen Strom 48 zu erzeugen. Der CO₂-arme Strom 48 wird in die Niederdruckexpansionsmaschine 22 zur weiteren Expansion und Erzeugung elektrischer Energie eingeleitet.
Druckwechseladsorption (PSA = Pressure Swing Adsorption) kann zur Abscheidung von Kohlendioxyd aus einem Gasgemisch benutzt werden. Bei PSA-Techniken können bei einem hohen Partialdruck Festkörpermolekularsiebe Kohlendioxyd stärker als andere Gase adsorbieren. Demzufolge wird bei erhöhten Drücken Kohlendioxyd aus dem Gasgemisch entfernt, das durch ein Adsorptionsbett geleitet wird. Die Regeneration des Bettes erfolgt durch Druckentlastung und Spülen. Typischerweise werden bei kritischen Operationen mehrere Adsorptionsgefäße zur kontinuierlichen Abscheidung von Kohlendioxyd verwendet, wobei jeweils ein Adsorptionsbett benutzt wird während die anderen regeneriert werden.
Es kann auch eine Membranabscheidetechnologie zur Separation von Kohlendioxyd aus einem Gasstrom verwendet werden. Membranprozesse sind in der Regel effizienter und leichter zu handhaben als Adsorptionsprozesse. Zu den für ei ne Hochtemperaturkohlendioxydseparation verwendeten Membranen gehören Zeolite und keramische Membranen, die für CO₂ selektiv sind. Typische Membranseparatoren arbeiten bei höheren Drücken effizienter, und der Einsatz eines Membranseparators zur Abscheidung des Kohlendioxyds aus dem gekühlten ersten Abgasstrom 38 wird durch den höheren Druck am Auslass der Hochdruckexpansionsmaschine 20 erleichtert. Der für die CO₂-Abscheidung zur Verfügung stehende höhere Druck reduziert auch die Größe des CO₂-Abscheiders 44, wodurch die Durchführbarkeit und die Wirtschaftlichkeit des CO₂-Abscheideprozesses erhöht werden. Der Gesamtwirkungsgrad der Energieerzeugung und der CO₂-Abscheidung wird durch die Verwendung von Hochtemperaturmembranen zur Abscheidung von CO₂ weiter verbessert.
Eine weitere zur Abscheidung von CO₂ aus dem ersten expandierten Abgas 38 benutzte Technik kann, ohne darauf beschränkt zu sein, die chemische Absorption von CO₂ unter Verwendung von Aminen beibehalten. Das erste expandierte Abgas 38 kann auf eine geeignete Temperatur zum Einsatz der chemischen Absorption von Kohlendioxyd unter Verwendung von Aminen abgekühlt werden. Diese Technik basiert auf Alkanolaminen oder anderen Lösungsmitteln, die die Fähigkeit haben, Kohlendioxyd bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen zu absorbieren und die durch Anheben der Temperatur der angereicherten Lösungsmittel leicht regeneriert werden können. Ein kohlendioxydreicher Strom 110 wird nach der Regeneration des angereicherten Lösungsmittels erhalten. Die bei dieser Technik verwendeten Lösungsmittel können bspw. umfassen: Triethanolamin, Monoethanolamin, Diethanolamin, Diisopropanolamin, Diglykoamin und Methyldiethanolamin. Eine andere Technik zur CO₂-Abscheidung kann die physikalische Absorption sein. Zu bemerken ist, dass alle oder eine Kombination von irgendwelchen der oben beschriebenen Techniken zur CO₂-Abscheidung mit Vorteil eingesetzt werden können, um CO₂ abzuscheiden.
Der Wärmetauscher 40 in dem CO₂-Abscheidesystem 28 ist typischerweise ein Gas/Gaswärmetauscher, der mit zwei Gasströmen arbeitet, nämlich dem ersten expandierten Abgasstrom 38 und dem CO₂-armen Strom 46. Das Volumen des ersten expandierten Abgasstromes 38 ist größer als das Volumen des aus dem CO₂-Abscheider 44 kommenden, CO₂-armen Gasstroms 46, weil in dem CO₂-Abscheider 44 CO₂ von dem ersten expandierten Abgasstrom 38 abgeschieden wurde. Deshalb kann die Menge der von dem ersten expandierten Abgasstrom 38 in dem Wärmetaucher 40 freigegebenen Wärme nicht vollständig zur Aufheizung des CO₂-armen Stromes 46 benutzt werden und die überschüssige Wärme kann dazu eingesetzt werden, im Falle der Verwendung eines chemischen Absorptionsprozesses, das Lösungsmittel in dem CO₂-Abscheider zu regenerieren. Bei einigen Ausführungsformen kann das CO₂-Abscheidesystem außerdem ein Wasserabscheidesystem enthalten, um Feuchte aus dem ersten expandierten Abgas 38 zu entfernen und damit das Volumen des CO₂-armen Stroms 46 weiter zu reduzieren. Deshalb wird durch das Vorsehen der Wasserabscheideeinheit die zur Lösungsmittelregeneration zur Verfügung stehende Überschusswärme vergrößert. Zurfolge dieser effektiven Ausnutzung der Überschusswärme aus dem Wärmetauscher 40 wird der Gesamtwirkungsgrad des Energieerzeugungssystems 10 erhöht.
Bei einigen Ausführungsformen wird im Betrieb das Oxidationsmittel 24 in dem ersten Niederdruckverdichter 14 auf etwa 2 bis etwa 10 bar verdichtet und sodann in einem ersten Zwischenkühler 17 heruntergekühlt. Das Grundprinzip der Zwischenkühlung bei der Verdichtung beinhaltet das Gas teilweise zu verdichten und dann abzukühlen bevor die endgültige Verdichtung auf den jeweils gewünschten Druck bspw. in dem Hochdruckverdichter 16 durchgeführt wird. Auf diese Weise werden die Verdichtungsarbeit verringert und damit die Energieabgabe des Kreisprozesses erhöht. Da die vorhandenen Gasturbinen des aeroderivativen Typs Zwischenkühler aufweisen, die zwischen den Verdichterstufen angeordnet sind, sind keine weiteren Veränderungen in der Turbinenkonstruktion notwendig, um die Zwischenkühler in so einem System zu inkorporieren. In ähnlicher Weise ist ein zweiter Zwischenkühler 104 zwischen dem zweiten Niederdruckverdichter 68 und dem zweiten Hochdruckverdichter 70 angeordnet, um das verdichtete zweite Endabgas 102 herunter zu kühlen.
Das erste Turbinensystem 11 beinhaltet weiterhin einen ersten Dampfgenerator 54 mit Wärmerückgewinnung (im Folgenden HRSG = Heat Recovery Steam Generator genannt). Der erste HRSG 54 ist dazu ausgelegt, den Wärmeinhalt des ersten Endabgases 52 von der ersten Expansionssektion 18 dazu zu benutzen, einen ersten Dampfanteil 56 und ein erstes gekühltes Endabgas 60 zu erzeugen. Bei einer hohen CO₂-Abscheiderate in dem CO₂-Abscheider 44 ist das in die Atmosphäre abgelassene gekühlte Endabgas 60 im Wesentlichen frei von CO₂ weil das CO₂-Abscheidesystem 28 dazu ausgelegt ist, den CO₂-Gehalt des in der ersten Brennkammer 22 erzeugten heißen Verbrennungsgases 31 abzuscheiden. Dieser in dem ersten HRSG 54 erzeugte erste Dampfanteil 56 wird nachfolgend in einem in 1 dargestellten Dampfkreislauf ausgenutzt. In ähnlicher Weise beinhaltet das zweite Turbinensystem 62 typischerweise einen zweiten Dampfgenerator mit Wärmerückgewinnung (im Folgenden HRSG genannt) 90. Der in dem zweiten Turbinensystem 62 er zeugte zweite Endabgasstrom 88 kann in den zweiten HRSG 90 eingeleitet werden. Bei dieser Ausführungsform ist der zweite HRSG 90 in der Regel ein HRSG mit geschlossenem Kreislauf, bei dem typischerweise kein Dampf in die Atmosphäre abgelassen wird. Der Wärmeinhalt des zweiten Endabgasstromes 88 kann mittels eines Wasserstromes 94 rückgewonnen werden, um einen zweiten Dampfanteil 92 zu erzeugen. Der in dem ersten HRSG 54 erzeugte erste Dampfanteil 56 und der in dem zweiten HRSG 90 erzeugte zweite Dampfanteil 92 können in einer (nicht dargestellten) Dampfturbine zur Erzeugung elektrischer Energie ausgenutzt werden. Anstelle der dargestellten HRSGs können auch andere Rückgewinnungsverfahren für mindere Wärmeenergie eingesetzt werden.
Bei den verschiedenen Ausführungsformen der hier beschriebenen Energieerzeugungssysteme ist das Oxidationsmittel Umgebungsluft. Es versteht sich, dass das verdichtete Oxidationsmittel von der ersten Verdichtersektion 12 auch irgendein anderes Sauerstoff enthaltendes Gas aufweisen kann, wie etwa z.B. sauerstoffreiche Luft, sauerstoffverarmte Luft und/oder reinen Sauerstoff.
Der erste und der zweite Brennstoffstrom 26 bzw. 82 können irgendein geeignetes Kohlenwasserstoffgas oder eine entsprechende Kohlenwasserstoffflüssigkeit aufweisen, wie etwa Erdgas, Methan, Nafta, Butan, Propan, Synthesegas, Diesel, Kerosin, Flugbenzin, Kohlebenzin, Biobrennstoff, oxigeniertes Kohlenwasserstoffeinsatzmittel und Gemische davon und dergleichen. Bei einer Ausführungsform ist der Brennstoff vorzugsweise Erdgas (NG = Natural Gas), und deshalb können das erste heiße Verbrennungsgas 31 aus der ersten Brennkammer 22 und das zweite heiße Verbrennungsgas 73 aus der zweiten Brennklammer 72 Wasser, Kohlendioxyd (CO₂), Kohlenmonoxyd (CO), Stickstoff (N₂), unverbrannten Brennstoff und andere Verbindungen enthalten.
Der gekühlte zweite Endabgasstrom 96 von dem zweiten HRSG 90 wird in der Regel in einen Abgaskühler oder Feuchteabscheider 98 eingeleitet, um das bei dem Verbrennungsvorgang in der zweiten Brennkammer 72 anfallende Wasser abzuscheiden. Der Abgaskühler 98 kann zur Steuerung der Einlassbedingungen, insbesondere der Temperatur, des Verdichters 68 benutzt werden. Der Ausgangsstrom 100 von dem Feuchteabscheider 98 enthält typischerweise wenigstens CO₂ und N₂. Der Ausgangsstrom 100 wird in der Regel in der zweiten Verdichtersektion 64 verdichtet, um einen verdichteten Strom 102 zu erzeugen. In Betrieb, kann während der Betriebsanfangsphase nach dem Anfahren die CO₂-Konzentration in dem verdichteten Strom 102 noch nicht beträchtlich sein, weshalb der ganze Strom 102 als ein zweiter Rezirkulationsstrom 71, zusammen mit dem zweiten Anteil 36 verdichteten Oxidationsmittels zu der zweiten Brennkammer 72 rezirkuliert werden kann. Dieser Rezirkulationsvorgang erhöht in der Regel die CO₂-Konzentration in dem verdichteten Strom 102. Wenn die CO₂-Konzentration in dem verdichteten Strom 102 ein gewünschtes Niveau erreicht, kann ein Abzweigstrom 84 in den ersten Hochdruckverdichter 16 eingeleitet werden. Eine (nicht dargestellte) Steuerventilanordnung kann dazu verwendet werden, die Ableitung und die Einleitung des Abzweigstroms 84 in die erste Brennkammer 22 zu erleichtern. Beispielsweise kann ein Steuerventil in der den Abzweigstrom führenden Leitung vorgesehen sein, wobei die Betätigung des Steuerventils an ein Online-Instrument oder einen Sensor gebunden ist, der die CO₂-Konzentration in dem verdichteten Strom 102 misst. Die CO₂- Konezntration in dem aus der ersten Brennkammer 22 austretenden ersten heißen Verbrennungsgas 31 ist deshalb dadurch maximiert, dass die CO₂-Konzentration in dem zweiten Turbinensystem durch entsprechende Steuerung des Rezirkulationsstroms 71 und des Abzweigstroms 84 erhöht ist.
Bei dieser in 1 dargestellten beispielhaften Ausführungsform kann eine beträchtliche CO₂-Gewinnung erreicht werden. Im Falle großer CO₂-Abscheider 44 ist das von der ersten Brennkammer 22 erzeugte erste Endabgas 52 im Wesentlichen von Kohlendioxyd gereinigt, und der in die Atmosphäre abgelassene gekühlte erste Endabgasstrom 60 setzt typischerweise, im Vergleich zu einer vergleichbaren Technologie ohne CO₂-Gewinnung, deutlich verringerte Kohlendioxydmengen frei. Das in der zweiten Brennkammer 72 erzeugte Kohlendioxyd kann in dem Rezirkulationsstrom 71 konzentriert werden. Der CO₂-Gehalt in dem Abzweigstrom 84 wird zusammen mit dem in der ersten Brennkammer 22 erzeugten CO₂ in dem CO₂-Abscheidesystem 28 abgeschieden, und der CO₂-Strom 110 kann, abhängig von dem Bedarf an Kohlendioxyd, entweder abgelagert oder auf dem Markt vertrieben werden. Der in dem CO₂-Abscheidesystem 44 erzeugte CO₂-reiche Strom 110 kann in einem Verdichter 112 verdichtet werden bevor er für die Weiterverwendung abgegeben wird.
2 veranschaulicht ein weiteres beispielhaftes Energieerzeugungssystem 140 bei dem die beiden Turbinensysteme durch einen gemeinsamen Zwischenkühler zwischen den Verdichtersektionen miteinander verkoppelt sind. Das beispielhafte Energieerzeugungssystem 140 beinhaltet einen gemeinsamen Zwischenkühler 146, der fluidmäßig mit der ersten Verdichtersektion 11 und der zweiten Verdichtersektion 64 ge koppelt ist. Ein Strom verdichteten Oxidationsmittels 142 aus dem ersten Niederdruckverdichter 14 wird mit dem Abzweigstrom 148 von dem zweiten Niederdruckverdichter 68 vermischt und in den gemeinsamen Zwischenkühler 146 eingeleitet. Der gemeinsame Zwischenkühler 146 ist dazu ausgelegt das verdichtete Oxidationsmittel 142 und den Abzweigstrom 148 abzukühlen und einen in den ersten Hochdruckverdichter 16 eingeleiteten ersten Mischstrom 144 und einen in den zweiten Hochdruckverdichter 70 eingeleiteten zweiten Mischstrom 150 zu erzeugen. Der erste Hochdruckverdichter 16 erzeugt einen ersten verdichteten Mischstrom 34 der in die erste Brennkammer 22 eingeleitet wird, während der zweite Hochdruckverdichter 70 einen zweiten verdichteten Mischstrom oder den Rezirkulationsstrom 71 erzeugt, der in die zweite Brennkammer 72 eingeleitet wird. Bei einigen Ausführungsformen kann die von den Zwischenkühlern freigesetzte Wärme dazu verwendet werden, den CO₂-Abscheideprozess, bspw. amine stripping, anzutreiben oder sie kann für einen anderen Wärmerückgewinnungskreislauf, bspw. einen organischen Rankine-Kreislauf ausgenutzt werden.
Das in den vorstehenden Abschnitten beschriebene Energieerzeugungssystem nutzt die Anordnung des CO₂-Abscheidesystems dazu aus, in dem Verbrennungsprozess erzeugtes CO₂ wirkungsvoll abzutrennen. Wie in 1 dargestellt, wird das CO₂ nach der Verbrennung, oder mehr im Einzelnen gesehen, aus dem bei einem Druck halben Wegs durch die Gasturbinenexpansionsmaschine abgezweigten Verbrennungsgas entfernt. Es ist von Vorteil, das CO₂ aus dem unter Druck stehenden Verbrennungsgas abzuscheiden, da die Antriebskräfte für die Abscheidung zunehmen und die Anlagengröße und Kosten abnehmen. Je höher aber der Extraktionsdruck des Verbrennungsgases ist, desto höher ist die Extraktionstemperatur. Mit Rücksicht auf Materialzwänge ist es, abhängig von der Temperatur des Fluid 38, vorteilhaft, das CO₂-Abscheidesystem 28 auf im Vergleich zu dem Brennkammeraustritt abgesenkte Temperaturen von etwa 700°C bis etwa 1000°C auszulegen. Wenngleich der in dem heißen Verbrennungsgasstrom 31 unmittelbar hinter der Brennkammer 22 zur Verfügung stehende Druck höher ist als der Druck des ersten expandierten Abgases 38, liegt die Abwägung für die Anordnung des CO₂-Abscheidesystems halben Wegs auf dem Expansionsweg in der hohen Temperatur von etwa 1300°C des heißen Verbrennungsgases 31. Bei Gasturbinen des aeroderivativen Typs, wie in 1 dargestellt, ergeben mehrere Verdichtungs- und Expansionsstufen ein hohes Verdichtungsverhältnis. Da der in der Verdichtersektion erzeugte Druck verhältnismäßig hoch ist, ist der halben Wegs in der Expansionssektion zur Verfügung stehende Druck ausreichend hoch, um ein preisgünstiges und effizientes CO₂-Agbscheidesystem aufzubauen.
Die in den vorstehenden Abschnitten beschriebenen Energieerzeugungssysteme verknüpfen auch die beiden Turbinensysteme in vorteilhafterweise, wie in den 1, 2, dargestellt. Die Gasturbinen sind dadurch miteinander gekoppelt, dass Arbeitsfluide hinter den Niederdruckverdichtern abgeleitet werden, vorzugsweise nachdem sie in einem gemeinsamen Zwischenkühler (2) oder in getrennten Zwischenkühlern (1) abgekühlt wurden. Bei den bestehenden Gasturbinen des aeroderivativen Typs sind die Anschlüsse für die Extraktion und Reinjektion der Arbeitsfluiden halben Wegs in dem Verdichtungsweg bereits vorhanden und diese Anschlüsse können ausgenutzt werden, um die Abänderungen wesentlich zu reduzieren, die an den Turbinen erforderlich sind, um die Verkopplung der beiden Turbinensysteme wie sie in den 1, 2 dargestellt ist, zu erzielen. Die Verkopplung der Turbinensysteme bei mäßigen Drücken und niedrigen Temperaturen (wie sie halben Wegs in dem Verdichtungsweg zur Verfügung stehen), minimiert wegen der mäßigen Fluidtemperaturen die Wirkungsgradverluste und die Notwenigkeit teurer Materialien.
Wie in 2 veranschaulicht, unterstützt das Vermischen des Oxidationsmittels und des Abzweigstroms vor der fortgesetzten Verdichtung in den Hochdruckverdichtern einen besseren Mischprozess. Es entfällt deshalb das Bedürfnis nach irgendeiner zusätzlichen Mischvorrichtung, wobei eine solche Mischvorrichtung typischerweise dazu ausgelegt ist, eine homogen Zusammensetzung und Temperatur der Arbeitsfluide zu fördern und die Auswirkung des Fluidaustausches zwischen den Gasturbinen auf das Verdichterbetriebsverhalten zu minimieren.
3 veranschaulicht ein noch anderes beispielhaftes Energieerzeugungssystem, bei dem das CO₂-Abscheidesystem halben Wegs zwischen den Verdichtungsstufen des ersten und zweiten Turbinensystems angeordnet ist. Wie in 3 dargestellt, ist das CO₂-Abscheidesystem 162 zwischen der ersten Verdichtersektion 12 und der zweiten Verdichtersektion 64 angeordnet. Das CO₂-Abscheidesystem 162 ist dazu ausgelegt, den Abzweigstrom 174 von dem zweiten Zwischenkühler 104 aufzunehmen und einen CO₂-armen Strom 168 sowie einen CO₂-reichen Strom 176 zu erzeugen. Ein erster Oxidationsmittelanteil 164 aus dem ersten Zwischenkühler 17 wird mit dem CO₂-armen Strom 168 vermischt und in den ersten Hochdruckverdichter 16 eingeleitet, um einen ersten verdichteten Mischstrom 34 zu erzeugen. Ein zweiter Oxidationsmittelanteil 166 aus dem ersten Zwischenkühler 17 wird mit einem zweiten Ab zweigstrom 106 von dem zweiten Zwischenkühler 104 vermischt und in den zweiten Hochdruckverdichter 70 eingeleitet, um einen zweiten verdichteten Mischstrom oder Rezirkulationsstrom 71 zu erzeugen. Optional können die Zwischenkühler 17, 104 auch unmittelbar vor den Einlässen der entsprechenden Hochdruckverdichter 16, 70 angeordnet sein.
Das CO₂-Abscheidesystem 162 enthält einen CO₂-Abscheider 170 zur Erzeugung des CO₂-reichen Stromes 176 und des CO₂-armen Stromes 168. Das Abscheiden von CO₂ von dem Abzweigstrom 174 hat mehrere Vorteile. Der an den Ausgang des Niederdruckverdichters 68 zur Verfügung stehende Druck reicht aus, um einen kostengünstigen und effizienten CO₂-Abscheider vorzusehen. Das Volumen des dem CO₂-Abscheidesystem zugeführten Abzweigstroms 174 ist verhältnismäßig kleiner. Deshalb fordert der Kapitalaufwand zur Installation des CO₂-Abscheidesystems 162 auf halben Wege durch die Verdichtersektionen im Vergleich zu den in den 1, 2 dargestellten CO₂-Abscheidesystemen geringere Kapitalkosten. Außerdem können vor dem Vermischen des frischen Oxidationsmittelstroms 164 mit dem CO₂-reichen zweiten Abzweigstrom 106 beide Ströme unter Verwendung des ersten Zwischenkühlers 17 bzw. des zweiten Zwischenkühlers 104 mit Vorteil gekühlt werden. Die von den Zwischenkühlern zurück gewonnene Wärme kann dazu verwendet werden, den Wirkungsgrad von Wärmerückgewinnungssystemen, bspw. einer Dampferzeugung zu erhöhen oder den CO₂-Abscheideprozess anzutreiben. Der zweite Zwischenkühler 104 kann auch dazu verwendet werden, den Abzweigstrom 174 auf die Betriebstemperatur des CO₂-Abscheiders abzukühlen.
4 veranschaulicht ein weiteres beispielhaftes Energieerzeugungssystem 200, bei dem das CO₂- Abscheidesystem halben Wegs zwischen den Verdichterstufen des ersten und zweiten Turbinensystems angeordnet ist. Das beispielhafte Energieerzeugungssystem 200 weist einen gemeinsamen Zwischenkühler 201 auf, der zwischen dem CO₂-Abscheidesystem 162 und der ersten Verdichtersektion 12 angeordnet ist. Das CO₂-arme Gas 206 aus der CO₂-Abscheidesystem 162 wird mit dem verdichteten Oxidationsmittelstrom 202 aus dem ersten Niederdruckverdichter 14 vermischt und in den gemeinsamen Zwischenkühler 201 eingeleitet. Der aus dem gemeinsamen Zwischenkühler 201 austretende gekühlte Mischstrom wird aufgeteilt, und ein erster Mischstrom 210 wird dem ersten Hochdruckverdichter 16 zugeleitet, während der zweite Mischstrom 208 dem zweiten Hochdruckverdichter 70 zugeleitet wird, Die Benutzung eines gemeinsamen Zwischenkühlers verringert die Kosten des Energieerzeugungssystem 200.
Alle in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen enthalten außerdem einen (nicht dargestellten) Wiedererhitzungsbrenner, der zwischen der zweiten Hochdruckexpansionsmaschine 74 und der zweiten Niederdruckexpansionsmaschine 76 angeordnet ist. Der Wiedererhitzungsbrenner trägt dazu bei, die bei einem gegebenen Verdichtungsverhältnis mögliche Energieabgabe zu erhöhen. Die Temperatur des zweiten heißen Verbrennungsgases 73 nimmt nach dem Durchgang durch die Expansion in der zweiten Hochdrucksexpansionsmaschine 74 ab. Da ein Teil des zweiten expandierten Gases 75 dem Wiedererhitzungsbrenner zugeleitet wird, ist die Temperatur des Ausgangsstroms aus dem Wiedererhitzungsbrenner wegen des Verbrennungsprozesses in dem Wiedererhitzungsbrenner erhöht. Der heiße Auslassstrom von dem Wiedererhitzungsbrenner wird in die Niederdruckexpansionsmaschine 76 zur weiteren Expansion und zur Erzeugung elektrischer Energie eingeleitet und we gen dieser Temperaturerhöhung in den Auslassstrom des Wiedererhitzungsbrenners wird die Gesamtenergieabgabe erhöht.
Es gibt verschiedene Vorteile der in den vorhergehenden Abschnitten beschriebenen Energieerzeugungszyklen. Das CO₂-Abscheidesystem ist vorteilhafterweise zwischen der Niederdruck- und der Hochdruckexpansionsmaschine angeordnet, wie dies in den 1, 2 gezeigt ist. Das erste expandierte Abgas von der Hochdruckexpansionsmaschine liegt im Vergleich zu dem Brennkammerausgang typischerweise auf einer niedrigeren Temperatur, bspw. bei etwa bei 700°C bis etwa 1000°C, aber immer noch auf einem Druck, der ausreicht, eine hohe CO₂-Abscheidungseffizienz in dem CO₂-Abscheider im Falle der Verwendung eines Membranseparators oder eines PSA zu erzielen. Die Größe und der Kapitalaufwand zur Installation des CO₂-Abscheidesystems sind ebenfalls verringert, da das erste expandierte Abgas auf einem hohen Druck von etwa 2 bar bis etwa 30 bar und einer verringerten Temperatur, verglichen mit dem Brennkammerausgang, steht. Das hier beschriebene Energieerzeugungssystem ist dazu ausgelegt, eine sehr umfangsreiche CO₂-Abscheidung zu erzielen, weil das gesamte in den Brennkammern erzeugte CO₂ in das CO₂-Abscheidesystem eingeführt wird. Bei den Ausführungsformen, bei denen zwei Turbinensysteme vorhanden sind, werden die Verbrennungsprodukte des zweiten Turbinensystems in einer geschlossenen Schleife, wie im Vorstehenden beschrieben, rezikliert, um den optimalen CO₂-Konzentrationspegel vor der Einleitung in die erste Brennkammer aufzubauen. Demgemäß ist das von einem solchen Energieerzeugungssystem in die Atmosphäre freigesetzte Abgas im Wesentlichen frei von CO₂.
Die Anordnung des CO₂-Abscheidesystems auf halben Wege auf dem Verdichtungsweg, wie es in 3 dargestellt ist, verringert die Kapitalkosten des CO₂-Abscheidesystems, wie dies bereits früher beschrieben wurde. Bei dieser Ausführungsform benutzt das CO₂-Abscheidesystem auch mit Vorteil die Zwischenkühler, um den Abzweigstrom für eine wirkungsvolle CO₂-Abscheidung abzukühlen, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Energiekreislaufssystems erhöht wird.
Die im Vorstehenden beschriebenen Energieerzeugungssysteme können die bestehenden Konstruktionen von Turbinen des aeroderivativen Typs zur Extraktion und Reinjektion des Arbeitsfluids auf halben Weg des Verdichtungswegs benutzen. Dadurch werden der Umbauaufwand und die Umbaukosten der Turbinensysteme deutlich reduziert. Der Wirkungsgrad und die Wirksamkeit der Verkopplung zweier Turbinensysteme erhöhen sich infolge der Verkopplung von Gasturbinen bei niedrigeren Drücken und Temperaturen, was verringerte Materialkosten ergibt.
Typischerweise weisen Energieerzeugungskreisläufe, die eine CO₂-Abscheidung und Gewinnung beinhalten eine beträchtliche Abnahme (in der Größenordnung von 10%-Punkten) des Gesamtkreislaufwirkungsgrades, verglichen mit einem Energiekreislauf ohne CO₂-Abscheidung auf. Die im Vorstehenden beschriebenen Energieerzeugungssysteme weisen aber eine wesentlich geringere Abnahme des Gesamtkreislaufwirkungsgrades auf, und zwar aus folgenden Gründen: Die Anordnung des CO₂-Abscheidesystems auf halben Wege durch die Verdichtungssektion und die dadurch bedingte Erhöhung der CO₂-Abscheidewirksamkeit durch Verwendung eines verhältnismäßig hohen Drucks selbst am Ausgang der Hochdruckexpansionsmaschi ne tragen dazu bei, den Wirkungsgradverlust zufolge des Einsatzes einer CO₂-Gewinnung in dem Energiekreislauf zu verringern. Außerdem erhöht die Verwendung eines Wiederaufheizungsbrenners und die Ausnutzung der in den Gas/Gaswärmetauscher in dem CO₂-Abscheidesystem erzeugten Überschusswärme zusätzlich den Kreisprozesswirkungsgrad. Demzufolge ist die im Vorstehenden beschriebene, bei Energieerzeugungssystemen mit CO₂-Abscheidung auftretende Gesamtenergieeinbuße wesentlich geringer als bei den gebräuchlichen Energiekreisprozessen mit CO₂-Gewinnung.
Wenngleich lediglich gewisse Merkmale der Erfindung hier veranschaulicht und dargestellt wurden, so sind doch für den Fachmann viele Abwandlungen und Veränderungen möglich. Die beigefügten Patentansprüche sollen deshalb alle diese Abwandlungen und Veränderungen mit umfassen, soweit diese in den Schutzbereich der Erfindung fallen.

Claims

Energieerzeugungssystem (10); das aufweist: Ein erstes Turbinensystem (11), welches enthält: Eine erste Verdichtersektion (12), die wenigstens zwei Stufen aufweist, wobei die wenigstens zwei Stufen einen ersten Niederdruckverdichter (14) beinhalten, der fluidmäßig mit einem ersten Hochdruckverdichter (16) gekoppelt ist, der dazu ausgelegt ist, einen ersten Anteil verdichteten Oxidationsmittels und einen zweiten Anteil verdichteten Oxidationsmittels zu liefern; Eine erste Brennkammer (22), die dazu ausgelegt ist, den ersten Anteil verdichteten Oxidationsmittels und einen Brennstoffe auf Kohlenstoffbasis enthaltenden ersten Brennstoffstrom zu verbrennen und einer erstes heißes Verbrennungsgas (31) zu erzeugen; Eine erste Expansionssektion (18) mit einem Einlass zur Aufnahme des ersten heißen Verbrennungsgases (31), die wenigstens zwei Stufen aufweist, wobei die zwei Stufen eine erste Hochdruckexpansionsmaschine (20) aufweisen, die zur Erzeugung eines CO₂-reichen ersten expandierten Abgases (38) ausgelegt ist und wobei die erste Hochdruckexpansionsmaschine (20) fluidmäßig mit eine Niederdruckexpansionsmaschine (22) gekoppelt ist, die zur Erzeugung eines ersten Abgases (52) und elektrischer Energie ausgelegt ist; und ein CO₂-Abscheidesystem (28), das fluidmäßig an die Hochdruckexpansionsmaschine (20) angekoppelt ist, um das ers te expandierte Abgas (38) von der ersten Hochdruckexpansionsmaschine (20) aufzunehmen und ein CO₂-armes Gas (48) abzugeben, dass sodann der ersten Niederdruckexpansionsmaschine (22) zugeführt wird; und ein zweites Turbinensystem (62), das beinhaltet: Eine zweite Verdichtersektion (64), die wenigstens zwei Stufen aufweist, wobei die wenigstens zwei Stufen einen zweiten Niederdruckverdichter (68) enthalten, der fluidmäßig mit einem zweiten Hochdruckverdichter (70) gekoppelt ist, wobei der Hochdruckverdichter (70) dazu ausgelegt ist, den zweiten Anteil verdichteten Oxidationsmittels aufzunehmen; eine zweite Brennkammer (72), die zur Verbrennung eines, Brennstoffe auf Kohlenstoffbasis enthaltenden zweiten Brennstoffstroms (82) und zur Erzeugung eines zweiten heißen Verbrennungsgases (73) ausgelegt ist; und eine zweite Expansionssektion (66), die dazu ausgelegt ist, das zweite heiße Verbrennungsgas (73) aufzunehmen und ein zweites Endabgas (88) und elektrische Energie zu erzeugen; wobei die zweite Verdichtersektion (64) dazu ausgelegt ist, das Kohlendioxyd enthaltende zweite Endabgas (88) aufzunehmen und einen Rezirkulationsstrom (71) von dem zweiten Hochdruckverdichter (70) zu der zweiten Brennkammer (72) und einen Abzweigstrom (84) von dem zweiten Niederdruckverdichter (68) zu dem ersten Hochdruckverdichter (16) zu erzeugen.
System nach Anspruch 1, bei dem das CO₂-Abscheidesystem (28) einen Wärmetauscher (40) aufweist, der dazu ausgelegt ist, Wärme aus dem ersten expandierten Abgas (38) rückzugewinnen und ein gekühltes erstes expandiertes Abgas (42) zu erzeugen, und das außerdem einen Kohlendioxydabscheider (44) aufweist, der dazu ausgelegt ist, den gekühlten kohlendioxydreichen Strom (42) aufzunehmen, und einen kohlendioxydarmen Strom (46) zu erzeugen.
System nach Anspruch 2, bei dem der Wärmetauscher (40) einen Kreuzstrom-Wärmetauscher aufweist, der dazu ausgelegt ist, Wärme aus dem ersten expandierten Abgas (38) im Austausch mit dem kohlendioxydarmen Strom (46) von dem Kohlendioxydabscheider (44) rückzugewinnen.
System nach Anspruch 2, bei dem der Kohlendioxydabscheider (44) eine Membraneinheit aufweist.
System nach Anspruch 1, bei dem der erste und der zweite Brennstoff Erdgas enthalten.
System nach Anspruch 1, das außerdem einen ersten Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (54) aufweist, der dazu ausgelegt ist, Wärme aus dem ersten Endabgas (52) rückzugewinnen und einen ersten Dampfanteil (56) zu erzeugen und dass es einen zweiten Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (90) aufweist, der dazu ausgelegt ist, Wärme aus dem zweiten Endabgas (88) rückzugewinnen und einen zweiten Dampfanteil (92) zu erzeugen.
System nach Anspruch 1, das außerdem wenigstens einen Zwischenkühler aufweist.
System nach Anspruch 7, bei dem der wenigstens eine Zwischenkühler einen gemeinsamen Zwischenkühler (146) aufweist, der zwischen der ersten Verdichtersektion (12) und der zweiten Verdichtersektion (64) angeordnet und fluidmäßig mit dem ersten und zweiten Niederdruckverdichter und dem ersten und zweiten Hochdruckverdichter gekoppelt ist.
System nach Anspruch 7, bei dem der wenigstens eine Zwischenkühler einen zwischen dem ersten Niederdruckverdichter und dem ersten Hochdruckverdichter angeordneten ersten Zwischenkühler und einen zwischen dem zweiten Niederdruckverdichter und dem zweiten Hochdruckverdichter angeordneten Zwischenkühler aufweist.
System nach Anspruch 1, bei dem das erste Endabgas (52) im Wesentlichen CO₂-frei ist.