C02-Abtrennung

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines IGCC-Kraftwerkprozesses mit integrierter CO2-Abtrennung. IGCC steht für "Integrated Gasification Combined Cycle". IGCC-Kraftwerke sind kombinierte Gas- und Dampfturbinenkraftwerke, denen eine Stufe zur Vergasung fossiler Brennstoffe, insbesondere eine Stufe zur Kohlevergasung, vorgeschaltet wird.

Die Vergasung ist ein Prozess, der aus fossilen Brennstoffen ein CO und H ₂ enthaltendes Synthesegas erzeugt. Das Synthesegas wird einer CO-Konver- tierung unterzogen, bei der das im Synthesegas enthaltene Kohlenmonoxid mit Wasserdampf zu Kohlendioxid und Wasserstoff umgesetzt wird. Das Synthesegas besteht nach der Konvertierung überwiegend aus Kohlendioxid und Wasserstoff. Durch chemische oder physikalische Gaswäscher kann das Kohlendioxid aus dem Synthesegas entfernt werden. Das wasserstoffreiche Synthesegas wird dann in einer Gasturbine verbrannt. Bei diesem Konzept zur Kohlendi- oxidentfernung verschlechtert sich der Gesamtwirkungsgrad um ca. 10 Prozentpunkte gegenüber einem konventionellen Gas- und Dampfturbinenkraftwerk ohne CO2-Entfernung.

Aus EP 0 262 894 B1 ist ein Verfahren zur Abtrennung und Gewinnung von CO2 aus einem Brennstoff, der neben Kohlenwasserstoffen H ₂ und CO2 enthält, bekannt, bei dem das Einsatzgas mittels einer Druckwechseladsorption (PSA pressure swing adsorption) in eine Fraktion eines technisch reinen Wasserstoffs sowie in eine CO2-reiche Fraktion aufgetrennt wird, wobei die CO2-reiche Fraktion auch brennbare Gase und insbesondere H ₂ enthält, und wobei die CO2-reiche Fraktion aus der PSA-Anlage in einem gesonderten Kessel mit technisch reinem Sauerstoff verbrannt wird . Dabei kann die Abwärme beispielsweise zur Dampferzeugung genutzt werden.

Aus US-2007/017 8035 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines IGCC-Kraftwerk- prozesses mit integrierter CO2-Abtrennung bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird aus fossilen Brennstoffen ein CO und H ₂ enthaltendes Synthesegas erzeugt, wobei zumindest ein Teilstrom des Synthesegases in einer CO-Kon- vertierungsstufe mittels Wasserdampf zu H ₂ und CO ₂ umgesetzt wird. Das entstehende H ₂ und CO2-haltige Prozessgas wird mittels einer Druckwechseladsorption (PSA-Anlage) in eine Fraktion eines technisch reinen Wasserstoffs sowie in eine CO2-reiche Fraktion aufgetrennt, wobei die CO2-reiche Fraktion auch brennbare Gase wie CO sowie H ₂ enthält. Der anfallende Wasserstoff wird in einer zur Stromerzeugung eingesetzten Gasturbine verbrannt, wobei das Abgas der Gasturbine in einem Abhitzekessel zur Erzeugung von Wasserdampf genutzt wird, der in einem ebenfalls zur Stromerzeugung genutzten Dampftur- binenprozess entspannt wird. Die CO2-reiche Fraktion aus der Druckwechsel- adsorption, die durch zyklische Druckabsenkung in der Druckwechseladsorp- tionsanlage (PSA) freigesetzt und im Folgenden als "PSA-Offgas" bezeichnet wird, wird in einem gesonderten Kessel mit technisch reinem Sauerstoff verbrannt. Dabei wird die Abwärme des aus CO2 und Verbrennungsprodukten bestehenden Rauchgases durch Wärmeaustausch genutzt. Bei dem bekannten Verfahren wird d ie Abwärme des Rauchgases zur Vorwärmung des im Gas- turbinenprozess eingesetzten Wasserstoffstromes verwendet.

Die WO 2006/1 12 725 A1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren mit den zuvor beschriebenen Merkmalen. Die CO2-reiche Fraktion aus der Druckwechseladsorp- tion wird als Brenngas zur Beheizung eines Steamreformers eingesetzt, mit dem Synthesegas erzeugt wird. Das bei der Verbrennung anfallende Rauchgas besteht im Wesentlichen aus CO2 und Wasserdampf. Wasserdampf wird abgetrennt und der im Wesentlichen aus CO2 bestehende Reststrom wird einer Endlagerung oder Verwertung zugeführt. Die Abgastemperatur der Gasturbine eines herkömmlichen IGCC-Prozesses beträgt ca. 600°C. Höhere Abgastemperaturen sind mit konventionellen Gasturbinen insbesondere aus werkstofftechnischen Gründen nicht möglich. Durch die Abwärmenutzung einer Gasturbine kann daher für den Dampfturbinenpro- zess nur ein Dampf mit einer Temperatur von maximal etwa 550°C bereitgestellt werden. Auch die hohe Vergasungstemperatur bei der Synthesegaserzeugung kann nicht für eine höhere Überhitzung des Dampfes genutzt werden, weil das Synthesegas die Werkstoffe des Dampfkessels reduziert, so dass es zu einer dauerhaften Schädigung des Kessels kommen würde. Ein konventioneller IGCC-Kraftwerkprozess nimmt in Kauf, dass der Dampfturbinenprozess mit Dampfparametern (Druck und Überhitzungstemperatur) betrieben wird, die nicht dem Niveau eines modernen Kohlekraftwerkes entsprechen.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Gesamt- Wirkungsgrad eines IGCC-Kraftwerkprozesses mit integrierter CO ₂ -Abtrennung zu verbessern.

Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren nach Anspruch 1 . Ausgehend von einem Verfahren mit den eingangs beschriebenen und im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass durch die Verbrennung der bei der Druckwechseladsorption anfallenden CO ₂ -reichen Fraktion ein Rauchgas mit einer Rauchgastemperatur von mehr als 1 000°C erzeugt wird, welches zur Überhitzung des in dem der Gasturbine nachgeschalteten Abhitzekessels er- zeugten Dampfes und/oder zur Erzeugung eines höher gespannten Dampfes für den Dampfturbinenprozess genutzt wird und dass aus der Abwärme der Gasturbine und der Abwärme des bei der Verbrennung der CO ₂ -reichen Fraktion entstehenden Rauchgases ein überhitzter Hochdruckdampf mit einem Druck von mehr als 1 20 bar und einer Temperatur von mehr als 520°C, vor- zugsweise mehr als 550°C, für den Dampfturbinenprozess erzeugt wird.

Durch die Sauerstoff geführte Verbrennung des PSA-Offgases in einem gesonderten Kessel steht ein im Wesentlichen aus CO2 und Wasserdampf bestehendes Rauchgas mit einer Temperatur von mehr als 1000°C zur Verfügung. Durch Abwärmenutzung dieses Rauchgases ist im Vergleich zu herkömmlichen IGCC- Prozessen eine höhere Dampfüberhitzung möglich, auf beispielsweise 600 bis 700°C, so dass dementsprechend mittels der erfindungsgemäßen Verfahrensweise der Wirkungsgrad des Dampfturbinenprozesses der IGCC-Anlage wesentlich verbessert werden kann. Vorzugsweise ist eine Überhitzung auf mehr als 550°C vorgesehen. Ein unvermeidbarer Wirkungsgradverlust des Gasturbinenprozesses, der durch das dem Synthesegas fehlende PSA-Offgas hervorgerufen wird, wird dadurch zumindest teilweise kompensiert. Somit verschlechtert sich bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre der Gesamtwirkungsgrad eines IGCC-Kraftwerks mit einer integrierten Kohlendioxidabtrennung gegen- über einem konventionellen IGCC-Kraftwerk ohne Kohlendioxidabtrennung nur geringfügig.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Druckwechsel-Adsorptionsanlage PSA (pressure swing adsorption) zur Trennung des konvertierten Syn- thesegases in eine kohlendioxidreiche und wasserstoffreiche Fraktion eingesetzt. Dabei strömt das konvertierte Synthesegas unter hohem Druck in einen ersten Adsorber. Das im Gas enthaltene Kohlendioxid wird adsorbiert. Der Wasserstoff hat nur geringe Wechselwirkungen mit der Adsorbermasse und strömt weitgehend ungehindert durch den ersten Adsorptionsapparat hindurch. Ist die Aufnahmekapazität des Adsorptionsmittels erschöpft, wird der Synthesegasstrom in einen zweiten Adsorber umgeleitet. Der erste Adsorber wird währenddessen durch Druckentspannung regeneriert, wobei sich das Kohlendioxid von dem Adsorptionsmittel löst. Das bei der Druckentspannung freiwerdende Gas wird als "PSA-Offgas" bezeichnet. Es lässt sich nicht vermeiden, dass ein Teil des in dem zugeführten Synthesegas enthaltenen Wasserstoffes, beispiels- weise 15%, mit dem Synthesegas zugeführten Wasserstoffmenge, in das PSA- Offgas gelangt, wodurch die Effektivität der Synthesegaserzeugung verschlechtert wird . Somit besteht das PSA-Offgas zum großen Teil zwar aus Kohlendioxid, es enthält jedoch auch Anteile an Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Auf- grund des hohen Kohlendioxidgehalts ist das PSA-Offgas für eine konventionelle thermische Verbrennung mit Luft nicht nutzbar.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das CO2-reiche PSA-Offgas mit technisch reinem Sauerstoff verbrannt. Da Kohlendioxid eine höhere molare Wärmekapazität als Stickstoff aufweist, stellt sich eine Verbrennungstemperatur ein, die trotz des Einsatzes von reinem Sauerstoff in etwa der Verbrennungstemperatur eines fossilen Brennstoffes mit Luft entspricht. Daher können konventionelle Öfen eingesetzt werden, die für die Verbrennung von fossilen Brennstoffen mit Luft ausgelegt sind.

Das Rauchgas, welches die Sauerstoff geführte PSA-Offgas-Verbrennung ver- lässt, besteht fast ausschließlich aus Kohlendioxid und Wasserdampf. Dabei erweist es sich als besonders günstig, wenn bereits bei der Synthesegaserzeugung vermieden wird, dass Stickstoff in das Synthesegas gelangt. Vorzugs- weise wird dazu bei Schleus- und Spülvorgängen Kohlendioxid, anstelle von Stickstoff, verwendet.

Nach der mit technisch reinem Sauerstoff betriebenen Verbrennung des CO2- reichen PSA-Offgases und der erfindungsgemäßen Abwärmenutzung zur Ver- besserung der den Dampfturbinenprozess betreffenden Dampfparameter wird der im Rauchgas enthaltende Wasserdampf abgekühlt und auskondensiert, so dass danach eine reine Kohlendioxidfraktion zur Verfügung steht. Diese kann einer Endlagerung zugeführt werden oder für eine "Enhanced Oil Recovery" eingesetzt werden, bei der das Kohlendioxid in ein Ölreservoir gepresst wird, wodurch der Druck steigt und Restöl an die Oberfläche presst.

Durch die erfindungsgemäße Abwärmenutzung kann ohne weiteres ein Hoch- druckdampf mit einem Druck von mehr als 200 bar erzeugt werden, mit dem der Dampfturbinenprozess mit gutem Wirkungsgrad betrieben werden kann.

Im Rahmen des Dampfturbinenprozesses kann eine Dampfturbine eingesetzt werden, die mehrstufig ausgebildet ist und zumindest einen Hochdruckteil und einen Niederdruckteil aufweist. Bei einer solchen Dampfturbine kann dann vorgesehen sein, dass mittels des bei der Verbrennung der CO2-reichen Frak- tion entstehenden Rauchgases eine Zwischenüberhitzung des Entspannungsdampfes aus dem Hochdruckteil auf eine Temperatur von mehr als 520°C, vorzugsweise mehr als 550°C, erfolgt.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren fällt ein Reststrom an, der im Wesent- liehen aus CO2 besteht. Dabei besteht die Möglichkeit, einen Anteil des anfallenden CO2 auszuschleusen und beispielsweise bei der Erzeugung des Synthesegases aus fossilen Brennstoffen für den Transport der Brennstoffe und/oder für Spül- und Inertisierungszwecke einzusetzen. Erfindungsgemäß wird das bei der Verbrennung der CO2-reichen Fraktion entstehende Rauchgas zur Überhitzung des in dem der Gasturbine nachgeschalteten Abhitzekessel erzeugten Dampfes und/oder zur Erzeugung eines höher gespannten Dampfes für den Dampfturbinenprozess genutzt. Um eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades zu erreichen, kann die danach noch in der CO2- reichen Fraktion enthaltene Restwärme dazu genutzt werden, die CO2-reiche Fraktion vor ihrer Verbrennung und/oder den für die Verbrennung zugeführten technisch reinen Sauerstoff vorzuwärmen.

Die thermische Nutzung der Wärme, die bei der Verbrennung des CO2-reichen PSA-Offgases mit reinem Sauerstoff frei wird, erfolgt vorzugsweise in einem Kessel zur Dampferzeugung. Entspricht die Verbrennungstemperatur bei der Verbrennung des PSA-Offgases nicht der benötigten Kesseltemperatur, kann dies durch mehrere Maßnahmen korrigiert werden, die in den Patentansprüchen 6 bis 13 beschrieben und nachfolgend erläutert werden.

Als besonders günstig erweist es sich, die Verbrennungstemperatur über den Anteil des Synthesegases einzustellen, welcher der CO-Konvertierung zugeführt wird. Ist die Kesseltemperatur zu niedrig, so wird der Anteil des Synthesegases, welcher der Konvertierung zugeführt wird, verringert, so dass ein größe- rer Anteil des Synthesegases durch Teilumfahrung an der CO-Konvertierung vorbeigeschleust wird. Ist die Kesseltemperatur zu hoch, so wird der Anteil des Synthesegases, welcher der Konvertierung zugeführt wird, erhöht und ein geringerer Anteil des Synthesegases durch Teilumfahrung an der CO-Konvertierung vorbeigeschleust. Bei einer zu hohen Kesseltemperatur ist es auch mög- lieh, das gesamte Synthesegas der Konvertierung zu unterziehen.

Weiterhin kann die Verbrennungstemperatur über den Umsatz der CO-Konvertierung eingestellt werden, indem eine ein-, zwei- oder dreistufige CO-Konvertierung vorgesehen wird. Es ist auch möglich, den Umsatz durch Veränderung der Temperatur im Konversionsreaktor zu beeinflussen. Je größer der Umsatz von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid ist, desto geringer ist die Verbrennungstemperatur, die sich bei der Sauerstoff geführten Verbrennung des PSA-Offgases einstellt. Eine weitere Möglichkeit, die Verbrennungstemperatur zu beeinflussen, besteht in einer Teilrückführung der Verbrennungsgase, welche die Sauerstoff geführte Verbrennung des PSA-Offgases verlassen. Je größer der Anteil der Verbrennungsgase ist, der in die Verbrennung zurückgeführt wird, desto stärker nimmt die Verbrennungstemperatur ab. Eine weitere Verfahrensvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Rauchgastemperatur der PSA-Offgas-Verbrennung durch Zufuhr von Synthesegas oder Zufuhr von Brenngas aus anderen Brenngasquellen angehoben wird. Ebenfalls ist es durch Zuführung eines Anteils der wasserstoff- reichen Fraktion zu der Verbrennung möglich, die Temperatur der Umsetzung der CO2-reichen Fraktion mit Sauerstoff zu erhöhen. Ferner können niedrigka- lorige Gase, die bei dem IGCC-Prozess anfallen, dem Verbrennungsprozess der sauerstoffgeführten PSA-Offgas-Verbrennung zugeführt werden. Zweckmäßig wird bereits bei der Synthesegasaufbereitung eine Entschwefelung vorgenommen. Die Entschwefelung kann dabei entweder vor oder nach der CO-Konventierung erfolgen. Das Abgas der sauerstoffgeführten Verbrennung des PSA-Offgases besteht dann fast ausschließlich aus Kohlendioxid und Wasserdampf, da die Entschwefelung bereits bei der Synthesegasaufbereitung durchgeführt wurde.

Damit das bei der Verbrennung der CO2-haltigen Fraktion entstehende Abgas im Wesentlichen nur Kohlendioxid und Wasser enthält, wird vorzugsweise bereits das Rohsynthesegas stickstofffrei erzeugt. Als vorteilhaft erweist es sich, Wasserdampfspaltreaktionen zur Herstellung von Rohsynthesegas einzusetzen, an denen kein Stickstoff beteiligt ist, oder bei partiellen Oxidationen zur Herstellung des Rohsynthesegases reinen Sauerstoff zu verwenden. Vorzugsweise wird zudem bei Schleus- und Spülvorgängen Kohlendioxid anstelle von Stickstoff verwendet. Als besonders günstig erweist es sich, bei der Herstellung von Synthesegas mittels Kohlevergasung für den Transport der Kohle und für Spülzwecke Kohlendioxid einzusetzen.

Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, auf eine Entschwefelung im Synthesegasweg zu verzichten und das bei der PSA-Offgas-Verbrennung entstehende Rauchgas mittels konventioneller Rauchgasentschwefelung zu entschwefeln. Da bei dieser Verfahrensvariante das Synthesegas nicht entschwefelt wird, gelangen alle Schwefel komponenten zusammen mit den anderen PSA-Offgas- Komponenten in das PSA-Offgas. In der PSA-Offgas-Verbrennung werden die Schwefel komponenten zu SO _x umgesetzt. Die SO _x -Komponenten werden mit- tels einer konventionellen Rauchgasentschwefelung, beispielsweise einer Kalkwäsche mit Gipserzeugung, aus dem CO ₂ -haltigen Abgas abgetrennt. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, die in dem PSA-Offgas enthaltenen Schwefelkomponenten vor der Verbrennung mit technisch reinem Sauerstoff zu entfernen.