Loading…
Analysis of IGCC-based plants with carbon capture for an efficient and flexible electric power generation
Sorgenfrei, Max
In this work, systems based on the Integrated gasification combined cycle (IGCC) technology with carbon capture are analyzed regarding an efficient and flexible electric power generation. All analysis are related to a high-efficiency or low-cost IGCC base case with carbon capture which are both commercially available. In the high-efficiency base case, thermodynamic inefficiencies are determined based on a conventional exergy analysis. The gasifier followed by the combustion chamber of the gas turbine running on syngas are rated to the largest inefficiencies. Based on an advanced exergy analysis, the inefficiencies are split into an avoidable and unavoidable part as well as an endogenous and exogenous part. For example, it was found that about half of the inefficiencies within the gasifier are caused by other components of the overall system(exogenous part). Further investigations on the combination of both splitting types are presented. The gas turbine system is identified to be amajor component and therefore a detailed model was developed using state-of-the-art technologies. Based on this model, 12 types of characteristic inefficiencies were determined and rated by their exergy destruction. Chemical-Looping Combustion (CLC) is one of the most promising technologies to enhance the available IGCC design. CLC uses compositemetal particles acting as an oxygen carrier to transport oxygen from the air to the fuel gas through a redox-cycle. Thus, the inefficiencies associated with the combustion process decrease and the application of physical absorption for capturing CO2 is replaced by an inherent CO2-capture. In this work, the most suitable oxygen carriers for CLC using syngas (nickel oxide and iron oxide) are analyzed at different temperatures. Moreover, different types of gasifier as well as CLC reactor designs are analyzed. Regenerating the oxygen carrier by steam and air, produces additional hydrogen from the reduction of steam which is further combusted within the gas turbine. Particularly, the development of the novel process design focuses on optimizing the heat exchanger network under specific constraints. The final results show a minor potential for improvement. Economic benefits are potentially generated by a transition from a base load to a flexible operation of IGCC plants. In this process, the operation of the syngas production path remains constant while the generation of electricity depends on the market price. Subsequent to an additional purification of the common syngas, the product gas consists of almost pure hydrogen which can be sold in times of low electricity prices. The profit is estimated considering major relevant impact factors.
In der vorliegenden Arbeit werden Potentiale zur effizienten und flexiblen Stromerzeugung auf Basis von kohlegefeuerten Gas- und Dampfkraftwerken (IGCC - Integrated gasification combined cycle) mit CO2-Abscheidung untersucht. Als Bewertungsgrundlage dient sowohl ein effizientes als auch ein kostengünstiges kommerziell verfügbares IGCC. Thermodynamische Ineffizienzen werden zuerst basierend auf einer konventionellen Exergieanalyse für das effiziente IGCC identifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Vergaser und danach die synthesegasgefeuerte Gasturbinenbrennkammer wichtige Komponenten für den Gesamtprozess darstellen. Im Rahmen der erweiterten Exergieanalyse werden die Irreversibilitäten einerseits in einen vermeidbaren und unvermeidbaren Anteil sowie andererseits in einen endogenen und exogenen Anteil untergliedert. So wird etwa die Hälfte der Ineffizienzen des Vergasers durch andere Anlagenkomponeten verursacht (exogener Anteil). Abschließend werden die Kombinationen aus beiden Unterteilungen ermittelt und bewertet. Aufgrund des großen Einflusses der Gasturbine, wird diese detailliert nach dem aktuellen Stand der Technik modelliert. Zum besseren Verständnis wurden 12 charakteristische Ineffizienzen der Gasturbine identifiziert und bewertet. Eine vielversprechende Weiterentwicklung der verfügbaren IGCC-Technologie stellt die Verbrennung nach dem Verfahren Chemical-Looping Combustion (CLC) dar. Dabei wird der Luftsauerstoff mittels Metallpartikel, die als Sauerstoffträger dienen, über einen Redox-Kreislauf an den Brennstoff abgegeben. Dadurch werden die Irreversibilitäten der Verbrennung gesenkt und die CO2-Abscheidung erfolgt inherent. In dieser Arbeit werden die für Synthesegas potentiell geeignetsten Sauerstoffträger Nickel- und Eisenoxid bei verschiedenen Temperaturen untersucht und verschiedene Vergasertypen sowie Konfigurationen des CLC-Verfahrens analysiert. So kann etwa die Regeneration des Sauerstoffträgers mittels Wasserdampf und Luft erfolgen. Durch die Reduktion des Wasserdampfes entsteht Wasserstoff, welcher anschließend in einer Gasturbine genutzt wird. Im Besonderen liegt ein Schwerpunkt auf der Optimierung des integrierten Wärmemanagements. Die Ergebnisse zeigen ein relativ geringes Potential zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades. Der wirtschaftliche Betrieb von IGCC-Anlagen kann durch eine Flexibilisierung verbessert werden. Dabei wird die Produktion des Synthesegases kontinuierlich betrieben und lediglich die Stromerzeugung wird flexibel in Abhängigkeit des Stromerlöses gefahren. Nach einer weiteren Aufreinigung des Synthesegases, besteht das Synthesegas nahezu ausschließlich aus Wasserstoff und bietet damit ein hohes wirtschaftliches Potential. Der Gewinn wird basierend auf relevanten Einflussfaktoren abgeschätzt.
