DE10360951A1 - Wärmekraftanlage mit sequentieller Verbrennung und reduziertem CO2-Ausstoß sowie Verfahren zum Betreiben einer derartigen Anlage - Google Patents

Wärmekraftanlage mit sequentieller Verbrennung und reduziertem CO2-Ausstoß sowie Verfahren zum Betreiben einer derartigen Anlage Download PDF

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Abstract

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

Description

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

Claims (26)

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