Kraftwerk mit CO2-Heißgasrückführung sowie Verfahren zum Betreiben desselben

Die Erfindung betrifft ein Kraftwerk, insbesondere ein effektives Hochtemperatur-Membrankraftwerk mit Heißgasrückführung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftwerkes.

Stand der Technik

Als Kraftwerke mit Heißgasrückführung sind unter anderem fossil betriebene Dampfkraftwerke oder auch Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit Anodengas- oder Kathodengasrückführung bekannt. Aus der Verfahrenstechnik ist ferner bekannt, dass eine zumindest teilweise Rückführung von Gasströmen zu verbesserten Konzepten führen kann, bzw. ist diese in manchen Fällen sogar zwingend notwendig. Die Rückführung von Gasströmen geschieht in der Regel mit einem Gebläse bzw. einem Verdichter, welche das Gas zurückfördern. Nach dem bisherigen Stand der Technik sind derartige Kreis- laufgebläse allerdings nur bis zu einer Betriebstemperatur von ca. 500 ⁰ C verfügbar. Bei sehr heißen zurückzuführenden Gasen mit Temperaturen oberhalb von 500 ⁰ C müssen deshalb spezielle Problemlösungen gesucht werden.

Bei den oben erwähnten Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit Anodengas- oder Kathodengasrückführung trifft das heiße rückgeführte Gas in der Regel auf kaltes Feedgas. Dadurch entsteht ein Bereich mit abgesenkter Temperatur im Gaskreislauf. Bei diesen Systemen kann das Problem eines besonders temperaturbeständigen Heißgasgebläses dadurch entschärft werden, dass das Gebläse in diesen kälteren Hauptstrom des Gaskreislaufes positioniert wird. Obwohl nun das Gebläse den eintretenden Gasstrom nach vorn fördert, wird dennoch der Gasfluss im gesamten Kreislauf angeregt und somit auch das rückzuführende Gas gefördert.

Schwieriger ist die Ausgangssituation bei einem anderen Anlagenkonzept, auf dem diese Erfindung basiert. Dessen Grundkonzept weist einen notwendigerweise heißen zurückzuführenden Gasstrom auf. In diesem Fall ist aber auch das Feedgas heiß, so dass sich nach der Mischung keine Temperaturabsenkung ergibt und somit keine Möglichkeit, in der Praxis ein nur bis 500 ⁰ C belastbares Gebläse einzusetzen.

Derzeitiger Stand der Kraftwerkskonzepte mit CO2-Abtrennung Längerfristig wird weltweit angestrebt, durch Entwicklung geeigneter Verfahren CO2 aus Kraftwerken abzutrennen und damit den Cθ2-Ausstoß erheblich zu senken. Die Abtrennung von CO2 aus Kraftwerksprozessen ist grundsätzlich über 3 Technologierouten erzielbar [I]:

l .a "Post-Combustion-Capture": Abtrennung von CO2 aus dem Rauchgas nach der Verbrennung durch geeignete Wäschen bzw. langfristig durch Membransysteme

Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass hohe Volumenströme an Rauchgas mit vergleichsweise geringer CO2-Konzentration gereinigt werden müssen. Membranen zur Abtrennung des CO2 werden deshalb einen hohen Bedarf an Membranfläche aufweisen.

l .b "Pre-Combustion-Capture": Abtrennung von CO2 in einem Zwischen- schritt nach Kohlevergasung (bzw. Erdgasreformierung), aber noch vor der

Verbrennung mit Luft

Die verschiedenen bisher entwickelten Kohlevergasungsverfahren werden bevorzugt mit Sauerstoff oder angereicherter Luft (und Dampf) unter Druck (ca. 20-30 bar) betrieben. Deshalb weist das Kohlegas im Hinblick auf eine Cθ2-Abtrennung zwei entscheidende Vorteile auf. Zum einen ist der reale Volumenstrom (mit wenig Stickstoff und bei hohem Druck) etwa

um das 100-fache geringer als bei den Rauchgasen üblicher Dampfkraftwerke. Dies führt unmittelbar zu hohen Partialdrücken der Hauptkomponenten CO und H2. Nach einer zusätzlichen CO-Konvertierung nach CO2 und H ₂ mittels Dampfzufuhr (Shift-Reaktor) zur Konditionierung des Koh- legases für eine CO2-Abtrennung eröffnen sich zwei Optionen:

• Abtrennung von CO2 z. B. mit einer Wäsche oder

• Abtrennung einer hinreichenden Menge H2 mittels einer Membran, wobei im Retentat ein CO2-reiches Gas zurückbleibt, geeignet für eine Verflüssigung und Deponierung. Bei beiden Optionen wird der Wasserstoff anschließend in einem Gas- und

Dampfturbinen-Prozess (GuD-Prozess) (mit Fb-Turbine, die z. B. bei SIEMENS entwickelt wird) verströmt.

l .c "Oxyfuel-Prozess": Sehr einfache C O ₂ -Abtrennung nach Verbrennung mit reinem Sauerstoff

Dieses Verfahren hat einen entscheidenden Vorteil. Verbrennung in reinem Sauerstoff liefert als Verbrennungsprodukt nur CO2 und Wasserdampf, der beim Abkühlen des Gasgemisches auf sehr einfache Weise durch Kondensation vom CO2 getrennt werden kann.

Bei allen Oxyfuel-Prozessen wird ein Teil des Rauchgases mit Temperaturen unter 1000 ⁰ C zurückgeführt, um die Temperaturen in der Brennkammer auf 1500 ⁰ C zu begrenzen. Eine Verbrennung mit reinem Sauerstoff ohne ein Luft/ Stickstoffgemisch bzw. ohne rückgeführtes CO ₂ -Gas würde regelmäßig zu Verbrennungstemperaturen von weit über 2000 °C führen. Dieses Rauchgas enthält überwiegend CO ₂ . Das Temperaturniveau des rückgeführten Rauchgases kann je nach Konzept sehr unterschiedlich ausfallen.

Auch hinsichtlich der Sauerstofferzeugung existieren prinzipiell unterschiedliche Verfahren:

2.a Konzept mit Luftzerlegungsanlage (LZA)

Der Sauerstoff kann mittels Tieftemperaturzerlegung in einer LZA gewonnen werden, allerdings unter hohem Energieaufwand. Das mittels Gebläse zurückgeführte Rauchgas weist eine niedrige Temperatur auf [2]. Diese variiert zwischen 160 und 340 ⁰ C bei den verschiedenen publizierten Varianten.

2.b Konzept mit Hochtemperatur-θ2-Membran

Höchste O2/N2-Trennselektivität kann durch sog. „dichte" Membransysteme auf Basis von Mischleitern mit gleichzeitiger Elektronen- und Sauerstoffionen-Leitfähigkeit erreicht werden. Modifizierte Perowskite, wie sie heute als Kathodenmaterialien für Hochtemperatur-Brennstoffzellen eingesetzt werden, sind dafür besonders geeignet. Allerdings ist eine hohe

Betriebstemperatur von mindestens ca. 800 ⁰ C erforderlich [3, Seite 62].

2. c Konzept mit Niedertemperatur-θ2-Membran

Alternative poröse Niedertemperatur-θ2-Membransysteme kommen vorläufig noch nicht in Frage, da hier noch ein sehr hoher Entwicklungsbedarf vorhanden ist.

Ausgangspunkt dieser Erfindung ist das Hochtemperatur-Membran-

Kraftwerkskonzept des Verbundvorhabens „ OXYCOAL-AC" der RWTH Aachen. Dort wird das CO2 aus dem Verbrennungsprozess mit hoher Temperatur zurückgeführt, um eine ausreichend hohe Temperatur in der Membran aufrechterhalten zu können [4]. Im Gleichstrom mit dem Rauchgas erfolgt die Vorwärmung der Luft zunächst in einem Wärmetauscher und anschließend auch innerhalb der Membran.

Dieses Konzept weist derzeit jedoch noch zwei Nachteile auf:

• Die gewählte Verschattung wird innerhalb der Membran zu inhomogenen Temperaturverläufen führen.

• In dieser Anordnung ist ein Kreislaufgebläse bei sehr hoher Tempera- 5 tur (850 ⁰ C) zu betreiben. Die Realisierung dieser Komponente stellt ein schwerwiegendes Problem dar und erfordert erheblichen Forschungsbedarf [4].

Bei moderaten Betriebstemperaturen bis 500 ⁰ C können für die Gasförde- o rung für hohe Volumenströme mit einer nur geringen Druckerhöhung bis ca. 800 mbar Ventilatoren eingesetzt werden. Für Druckerhöhungen über 800 mbar werden Kompressoren verwendet. Bis zu einem Druckverhältnis von 7 werden Gasströme einstufig ohne Zwischenkühlung verdichtet.

5 Demgegenüber müssten für eine Heißgasförderung Spezialgebläse, wie beispielsweise riemengetriebene Radialventilatoren, eingesetzt werden, die aufgrund der hohen Betriebstemperaturen und den daraus resultierenden technischen Gegebenheiten nur einen geringen Druckaufbau zulassen. In der Regel werden Heißgasgebläse im Gegensatz zu normalen Gebläsen mit o einem deutlich schlechteren Wirkungsgrad (60 %) simuliert.

Aufgabe und Lösung

Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein effektives und gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Kraftwerk mit Cθ ₂ -Heißgasrückführung zur Ver- 5 fügung zu stellen, welches CO2 aus dem Verbrennungsprozess mit hoher

Temperatur zurückführt, und welches konstruktiv kein Problem mit einem Heißgasgebläse aufweist.

Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben des vorgenannten verbesserten Kraftwerkes zur Verfügung zu stellen. 0

Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Kraftwerk mit CO2- Heißgasrückführung und weiteren Merkmalen gemäß Hauptanspruch so-

wie durch ein Verfahren zum Betreiben dieses Kraftwerks gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen des Kraftwerks und des Verfahrens zum Betreiben desselben finden sich in den jeweils rückbezogenen Ansprüchen.

Gegenstand der Erfindung

Der Gegenstand der Erfindung ist ein Kraftwerk mit CO2- Heißgasrückführung mit der Gesamtheit an Merkmalen des Haupan- spruchs. Dabei sind unter dem Begriff Kraftwerke sowohl mit Kohle oder auch mit Gas betriebene Dampfkraftwerke, als auch beispielsweise Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Kraftwerke mit umfasst.

Das Kraftwerk umfasst dabei eine Zufuhr für Brennstoff, eine Zufuhr für Oxidationsmittel sowie eine Reaktionskammer. Bei einem Dampfkraftwerk entspricht die Reaktionskammer dabei der Brennerkammer bzw. dem Dampferzeuger, während sie bei einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle der eigentlichen Membran-Elektroden-Einheit entspricht, in der die elektrochemische Umsetzung stattfindet. Aus der Reaktionskammer wird CO2- haltiges heißes Rauchgas, bzw. Anoden- und Kathodenabgas abgeleitet.

Für das Rauchgas ist eine Kreislaufführung (Heißgasrückführung) vorgesehen, die wenigstens einen Wärmetauscher, eine Hochtemperaturmembran zur Abtrennung von O2 aus Luft sowie ein Gebläse umfasst. Das Gebläse dient der Kompression und der Gasförderung in der Kreislauffüh- rung. Das für die Realisierung der Heißgasrückführung an günstiger Position angeordnete Gebläse, bzw. der Verdichter ist dadurch gekennzeichnet, dass als Gebläse ein lediglich bis zu 500 ⁰ C ausgelegtes Gebläse eingesetzt wird.

Gegenüber dem aus der Literatur bekannten Kraftwerkskonzept

OXYCOAL-AC (400 MW) unterscheidet sich die Erfindung durch konstruktive Maßnahmen zur Temperaturbeeinflussung im Gaskreislauf, insbe-

sondere für die Schaffung einer lokalen Temperaturabsenkung für eine günstige Gebläsepositionierung. Dabei wurde die Aufgabe der Erfindung insbesondere durch Kombination zweier Maßnahmen gelöst.

A) Anpassung des Rauchgas/ Luft- Wärmetauschers an die Erfordernisse der Hochtemperatur-Membran

Die Verschattung der Hochtemperatur-Membran mit dem zugehörigen Wärmetauscher wurde so konzipiert, dass die Membran unter optimalen Bedingungen (hohe Temperatur, niedrige Temperaturgradienten) betrieben wer- den kann. Das Heißgas und die Luft durchströmen diese Bauteile nun im

Gegenstrom. Das heiße Rauchgas durchströmt dabei zuerst die Membran und wird dann im Wärmetauscher abgekühlt, die Luft hingegen wird zuerst im Wärmetauscher aufgeheizt und erreicht die Membran mit ausreichend hoher Temperatur, so dass nahezu konstante hohe Gastemperaturen in der Membran vorhanden sind. Auch die Temperaturdifferenzen zwischen

Rauchgas und Luft in der Membran sind gering, so dass konstruktive Probleme aufgrund von Wärmespannungen nicht zu erwarten sind.

B) Positionsverschiebung des Kreislaufgebläses in den neu geschaffenen kälteren Bereich des Gaskreislaufs

Durch diese Verschaltung ist es außerdem gelungen, innerhalb des Heißgaskreislaufes einen Bereich mit erheblich abgesenkter Temperatur von ca. 500 ⁰ C zu schaffen. Durch Positionsverschiebung des Kreislaufgebläses in diesen Bereich (nach Membran und Wärmetauscher und vor der

Brennkammer) ist nun das Problem für bislang fehlende Realisierung eines Heißgasgebläses gelöst. Es ergibt sich nur ein geringer Nachteil durch den an dieser Stelle des Kreislaufs etwas vergrößerten Volumenstrom infolge des hinzugekommenen Sauerstoffs.

Während ein Heißgasgebläse für Temperaturen um 850 ⁰ C einen erheblichen Forschungsbedarf aufweist, sind Gebläse bei 500 ⁰ C prinzipiell mit vorhandener Technologie darstellbar.

Spezieller Beschreibungsteil

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es zeigen Figur 1 : Oxycoal-Konzept mit O ₂ aus LZA (920 MW): CO ₂ -Rückführung bei niedriger Temperatur und Verbrennung mit O ₂ / CO ₂ Figur 2: Kraftwerkskonzept OXYCOAL-AC (400 MW): CO ₂ -Heißgas- rückführung mit Heißgas-Gebläse, Rauchgas /Luft- Wärmetauscher im Gleichstrom Figur 3: Membran-Kraftwerk "Oxycoal-FZJ" (Simulation mit PRO /11):

CO ₂ -Heißgasrückführung, Gegenstrom- Wärmetauscher und Kreislauf-Gebläse im Hauptstrom bei mittlerer Temperatur

Alle drei Konzepte basieren auf dem Oxyfuel-Prozess, bei dem die Verbren- nung mit reinem Sauerstoff als Verbrennungsprodukte nur CO2 und Wasserdampf liefert, der beim Abkühlen des Gasgemisches auf sehr einfache Weise durch Kondensation vom CO2 getrennt werden kann. Ein großes Entwicklungspotential wird Hochtemperatur-O2-Membranen zugesprochen, insbesondere aufgrund von energetischen Gesichtspunkten. Vor- aussetzung dafür ist, dass kostengünstige Membranen zur Verfügung stehen.

Die Figur 1 stellt ein denkbares zukünftiges Kraftwerkskonzept dar, bei dem der eingesetzte Sauerstoff zunächst in einer Luftzerlegungsanlage (LZA) bereitgestellt wird. Das die Brennkammer bzw. den Dampferzeuger verlassende Rauchgas weist bei verschiedenen Konzeptvarianten niedrige

Temperaturen zwischen 160 und 340 ⁰ C auf. An hier einzusetzende Gebläse sind keine herausragenden Anforderungen zu stellen.

In den Figuren 2 und 3 sind jeweils Konzepte dargestellt, bei denen der benötigte Sauerstoff direkt aus der komprimierten Luft über O2-

Membranen abgetrennt wird, während das vorwiegend aus CO2 bestehende rezirkulierte Rauchgas als Spülgas eingesetzt wird. Dadurch wird ein niedriger Cθ ₂ -Partialdruck auf der Permeatseite erreicht, was für eine aussichtsreiche Triebkraft der O ₂ -Permeation wichtig ist. Die Hochtempe- raturmembranen sind direkt im Heißgaskreislauf angeordnet.

Gemäß dem Konzept in Figur 2 wird das heiße Gas in einem Gleichstrom- Wärmetauscher zunächst leicht abgekühlt, durchläuft die Hochtemperaturmembran und wird mit O2 angereichert der Brennkammer wieder zuge- führt. Die Temperatur im Gaskreislauf variiert dabei nur relativ geringfügig von ca. 850 ⁰ C beim Verlassen der Brennkammer bis auf ca. 700 - 800 ⁰ C beim Wiedereintritt in dieselbe. Unabhängig davon, ob das für die Rückführung benötigte Gebläse in Strömungsrichtung direkt hinter der Brennkammer oder zwischen Wärmtauscher und Hochtemperaturmemb- ran oder zwischen Hochtemperaturmembran und der Brennkammer angeordnet werden würde, es müsste in jedem Fall Temperaturen oberhalb von 700 ⁰ C standhalten.

Ferner wird die Effizienz der Hochtemperaturmembran dadurch herabge- setzt, dass die beiden Gasströme, die zugeführte Luft und das Heißgas deutlich unterschiedliche Temperaturen aufweisen. So wird die zugeführte Luft zwar über einen Wärmtauscher auf ca. 600 - 700 ⁰ C vorgewärmt, allerdings wird gleichzeitig die Temperatur des Rauchgases auf ca. 700 - 800 ⁰ C abgesenkt. Hochtemperaturmembranen arbeiten aber erst ab ca. 800 ⁰ C effektiv. Zudem würden die großen Temperaturgradienten über die

Membran nachteilig zu mechanischen Belastungen und möglicherweise Rissen in der Membran führen.

Dem gegenüber wurden in dem erfinderischen Kraftwerkskonzept in Figur 3 zwei entscheidende Veränderungen vorgenommen.

Zum einen wurde die Verschaltung der Hochtemperaturmembran und des dazugehörigen Wärmetauschers verändert. Das Heißgas und die Luft durchströmen diese Bauteile nicht mehr im Gleichstrom, sondern im Gegenstrom. Das heiße Rauchgas durchströmt dabei zunächst die Membran und wird erst anschließend im Wärmetauscher abgekühlt. Die Luft wird entsprechend erst im Wärmetauscher ausreichend aufgeheizt, bevor sie die Membran durchströmt. Dadurch wird vorteilhaft das Temperaturniveau an der Membran gesteigert. Zudem wird durch diese Strömungsführung die mittlere Temperaturdifferenz über die Membran erheblich verringert, was zu deutlich geringeren konstruktiven Problemen aufgrund von Wärmespannungen führt.

Als zweite Prozessveränderung wurde das Gebläse, bzw. der Verdichter, welches für die Umwälzung des Rauchgases zuständig ist, von der heißen Seite des Rauchgasstromes entfernt und an die Stelle nach der Membran und dem Wärmetauscher angeordnet, wo der Gastrom deutlich abgekühlt vorliegt. Der Verdichter muss einen großen Volumenstrom mit einem kleinen Druckverhältnis verdichten. Der Nachteil des durch den hinzugekommenen Sauerstoff vergrößerten Stoffstroms wird durch die von ca. 850 °C auf ca. 500 ⁰ C abgesunkene Temperatur überkompensiert. Während ein Heißgasgebläse für Temperaturen um 850 ⁰ C noch einen erhebli- chen Forschungsbedarf aufweisen würde, sind Gebläse, die für eine Betriebstemperatur von ca. 500 ⁰ C ausgelegt sind, prinzipiell schon vorhanden.

In dieser Anmeldung zitierte Literatur

[1] J. Ewers, W. Renzenbrink, F. Hannemann, G. Haupt, G. Zimmermann, Entwicklung von Kombikraftwerkskonzepten zur Cθ2-freien Stromerzeugung, XXXVI. Kraftwerkstechnisches Kolloquium, TU Dresden, 19.-20. Okt. 2004, Beitrags-Nr. V27.

[2] S. Hellfritsch et al, Fortschritte bei der Weiterentwicklung des Oxy- fuel-Prozesses am Beispiel eines Braunkohlekraftwerkes, XXXVI. Kraftwerkstechnisches Kolloquium, TU Dresden, 19.-20. Okt. 2004, Beitrags-Nr. V41. [3] Th. Melin, R. Rautenbach, Membranverfahren - Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung, Springer- Verlag Berlin, 2. Aufl., 2004. [4] U. Renz, Entwicklung eines Cθ2-emissionsfreien Kohleverbrennungsprozesses zur Stromerzeugung in einem Verbundvorhaben der RWTH Aachen, XXXVI. Kraftwerkstechnisches Kolloquium, TU Dresden, 19.- 20. Okt. 2004, Beitrags-Nr. V42.