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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, bei dem die Energiebilanz bei der stofflichen Nutzung von aus Kohle oder Biomasse gewonnenem Gas deutlich verbessert werden kann.
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Für die stoffliche Nutzung von Kohle und/oder Biomasse in Form von Grundstoffen für die chemische Industrie wird der Primärenergieträger (Kohle oder Biomasse) nach dem Stand der Technik zunächst in ein Gas umgesetzt (vergast). Bei einer Vergasung nach Winkler unter Druck (- 30 bar) und bei hoher Temperatur (Austrittstemperatur - 890 - 950 °C) werden hohe Umsatzraten vom Einsatzstoff zum Produktgas erzielt. Da diese Vergasung allotherm ist, wird eine Energiezufuhr von außen in das Verfahren benötigt. Dies kann durch das Vergasungsmittel Sattdampf erfolgen. Da die Vergasungsenergie extern bereitgestellt werden muss, wird der Prozess energetisch sehr aufwändig.
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Bei der Vergasung entsteht ein brennbares Gas bei ca. 920 °C, das vor einer Gasreinigung und der anschließenden Synthese (z.B. Fischer-Tropsch-, SNG-, DME-Synthese) gekühlt werden muss. Diese gesamte Prozesskette der Vergasung und anschließender Synthese ist noch nicht wirtschaftlich umsetzbar. Daher ist eine energetische Verbesserung des Gesamtprozesses notwendig, um ihn effizienter zu gestalten.
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Aufgrund der bisher fehlenden Wirtschaftlichkeit von Biomassevergasungsprozessen und der anschließenden stofflichen Nutzung, werden verschiedene Verfahren im Technikumsmaßstab erprobt. Bei den bisher bekannten Verfahren liegt entweder eine reine stoffliche oder eine reine energetische Nutzung vor:
- Es existiert eine Reihe von Lösungen, die sich das Ziel gestellt haben, den Gesamtwirkungsgrad der Prozesse zu verbessern. Typischerweise werden dazu Wärmerückgewinnungs- und -nutzungsverfahren vorgeschlagen.
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In der
US 4 099 383 A wird unter anderem beschrieben, dass ein Gasstrom (Synthesegas, Pyrolysegas) aus einem Gasgenerator durch einen kontaktlosen Wärmeübertrager (Rekuperator) geführt wird. In diesem Wärmeübertrager wird ein Wärmeträgermedium erhitzt. Als Wärmeträgermedium sind u.a. explizit Wasser, Helium, Stickstoff und Argon benannt. Das Wärmeträgermedium wird anschließend einer Turbine als Arbeitsmedium zugeleitet, wo es der Energieerzeugung dient. Es wird explizit beschrieben, dass die Abwärme des Wärmeträgermediums zum Vorheizen des Sauerstoffträgers für die Vergasung genutzt wird. In der
US 4 099 383 A ist eine prozessinterne Erzeugung des zur Vergasung benötigten Dampfes vorgesehen, dies erfolgt aus dem Rohgas des Vergasers. Dieses Vorgehen hat eine Reihe von Nachteilen: höhere Korrosion des Dampferzeugers, da er mit ungereinigtem Rohgas (hoher Alkali- und Staubgehalt) durchströmt wird; geringerer Wirkungsgrad, da ggf. eine zusätzliche Kühlung im Gasturbinenprozess benötigt wird, damit dieser geschlossen betrieben werden kann, wodurch die Abwärme nicht ideal ausgenutzt werden kann.
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Die
DE 28 21 413 C2 beschreibt ein Verfahren, bei dem durch Teiloxidation der Brennstoffe in einem Reaktor H
2 und CO enthaltende Gase erzeugt werden. Diese Sythesegase werden in einem Hochtemperaturwärmeübertrager (Rekuperator) mittels Wasser gekühlt, wobei ein Dampfstrom entsteht. Dieser wird optional teilweise in eine Turbine zur Energieerzeugung genutzt. Ein weiterer Teil des überhitzten Dampfes wird dem Synthesegasstrom beigemischt. Als Material für den Hochtemperaturwärmeübertrager werden metallische oder keramische Werkstoffe benannt. Der Verbleib des aus der Turbine austretenden Dampfes sowie von dessen Restwärme werden nicht näher diskutiert.
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In der
DE 10 2008 055 947 A1 wird eine Wärmerohrkonstruktion vorgestellt, die für wasserstoffreiche Hochtemperaturumgebungen, wie sie z. B. in allothermen Dampfreformern herrschen, geeignet ist. Das Wärmerohr hat eine Rohrhülle aus Metall, in deren Rohrhülleninneren ein Wärmeträgermedium eingeschlossen ist, wobei das Wärmeträgermedium zwischen einem Wärme aufnehmenden Ende des Wärmerohrs und einem Wärme abgebenden Ende des Wärmerohrs zirkuliert. Das Wärmeträgermedium verdampft am wärmeaufnehmenden Ende des Wärmerohres und kondensiert am wärmeangebenden Ende. Bevorzugt weist das Wärmerohr optional zumindest am wärmeabgebenden Ende eine keramische Umhüllung um die Rohrhülle auf.
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Die bekannten Verfahren zur Nutzung von Biomasse zur Erzeugung synthetischer Stoffe, weisen bisher eine zu geringe Effizienz auf. Bisher wurde keine kombinierte stoffliche und energetische Nutzung von Biomasse auf Basis der Vergasung bei hoher Effektivität realisiert. Dadurch werden Energieströme nicht effizient genutzt.
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Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verfahren nach dem Stand der Technik häufig vorhandene Abwärmequellen nur bedingt nutzen. So werden immer noch notwendige Temperaturanpassungen im Prozess durch Quenchen oder Kühlung bei Abgabe der Abwärme an die Umwelt durchgeführt.
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Es stellt sich somit die Aufgabe, eine verbesserte Verfahrensführung für die stoffliche Kohle-/Biomassenutzung vorzuschlagen, durch die der energetische Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens verbessert werden kann.
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Die Aufgabe wird mit dem in Anspruch 1 genannten Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstände der rückbezogenen Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die stoffliche mit der energetischen Nutzung gekoppelt wird. Durch die Übertragung eines Energiestromes aus dem Rohgas an eine indirekt beheizte Gasturbine auf hohem Temperaturniveau, werden zusätzlich zu den synthetischen Stoffen auch Strom und Dampf erzeugt, wobei der Dampf bevorzugt innerhalb des Gesamtprozesses eingesetzt wird, um den Vergasungsmittelbedarf zu decken bzw. teilweise zu decken. Das Rohgas wird vorzugsweise nach der Kühlung und einer Gasaufbereitung der stofflichen Nutzung (z.B. Fischer-Tropsch-Synthese) zugeführt. Das Rohgas kann jedoch auch für andere Verfahren nach dem Stand der Technik genutzt werden.
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Kern der Erfindung ist die Prozessführung von gekoppelter Stoff- und Stromerzeugung sowie interner Wärmenutzung zur Dampfbereitstellung für den Vergasungsprozess. Dabei wird die stoffliche Nutzung durch einen Vergaser nach dem Stand der Technik mit nachfolgenden Synthesen ermöglicht.
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In dem Vergasungsprozess wird Kohle bzw. Biomasse in einem Hochtemperaturvergaser (bspw. Hochtemperatur-Winkler-Vergaser) bei erhöhtem Druck (vorzugsweise ca. 30 bar) vergast. Das entstehende brennbare Rohgas weist bevorzugt eine Temperatur im Bereich von 750°C bis 1100°C, besonders bevorzugt von 820°C bis 1000°C und ganz besonders bevorzugt von ca. 890 °C bis 950 °C und einen Druck bevorzugt im Bereich von 25 bar bis 50 bar, besonders bevorzugt von 28 bar bis 45 bar und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 30 bar bis 40 bar auf. Es wird abgekühlt und nach einer Gasaufbereitung (Reinigung/Entstaubung) der gewünschten Synthese zugeführt. Produkte der Synthese können z.B. Benzin- und Dieselfraktionen, Methanol, Dimethylether oder Wasserstoff sein.
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Das Rohgas wird, optional nach einer Vorentstaubung (bspw. in einem Zyklon oder mittels keramischer Filterkerzen), zur Abkühlung in den Primärkreis eines Wärmeübertragers geführt, wobei ein im Sekundärkreis geführtes, bevorzugt gasförmiges Arbeitsmedium für einen Gasturbinenprozess erhitzt wird.
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Die Abwärmeströme aus dem Rohgas werden somit vorteilhaft genutzt, um einen indirekt beheizten Gasturbinenprozess zur Stromerzeugung anzutreiben. Dies wird bevorzugt durch einen innovativen keramischen Hochtemperatur-Wärmeübertrager, wie in [1], [2], oder in der
DE 10 2012 209 052 A1 beschrieben, ermöglicht, der die Wärme vom Rohgas an das verdichtete Gasturbinenarbeitsmedium überträgt.
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Das Arbeitsmedium tritt, je nach Prozessführung (offen), je nach Verdichterverhältnis und Medium bevorzugt mit einer Temperatur im Bereich von 150°C bis 350°C, besonders bevorzugt von 200°C bis 300°C und ganz besonders bevorzugt von 240 °C bis 290 °C sowie einem Druck von bevorzugt 2 bar bis 30 bar, besonders bevorzugt 2 bar bis 20 bar und ganz besonders bevorzugt 2,5 bar bis 10 bar, in den Rekuperator ein und mit einer Temperatur im Bereich von bevorzugt 600 °C bis 910 °C, besonders bevorzugt von 700°C bis 900°C und ganz besonders bevorzugt von 800 °C bis 900 °C aus dem Wärmeübertrager aus. Es erreicht dabei vorzugsweise eine Temperatur von bis zu 900 °C. (Je höher die Austrittstemperatur des Arbeitsmediums desto höher ist der Wirkungsgrad des Gasturbinenprozesses. Es kann jedoch die Rohgastemperatur am Eintritt in den Wärmeübertrager (vorzugsweise 920 °C) nicht erreichen.)
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Erfindungsgemäß kommt als Arbeitsmedium Luftin einem offenen Gasturbinenprozess (ggf. mit Wasser- bzw. Wasserdampfeindüsung) zum Einsatz.. Da das Rohgas eine sehr hohe Temperatur aufweist, ist zum Entzug der Wärme aus dem Rohgasstrom ein Hochtemperaturwärmeübertrager (Rekuperator) bevorzugt. Vorzugsweise besteht dieser aus Keramik, besonders bevorzugt weist er keramische Wärmerohre auf. Besonders vorteilhaft ermöglicht der Einsatz des Hochtemperatur-Wärmeübertragers auf Wärmerohrbasis eine große Temperaturspreizung zwischen eintretendem und austretendem Rohgas. Es sind aber auch andere Wärmeübertragerarten aus dem Stand der Technik unter der Voraussetzung langer zu erwartender Standzeiten einsetzbar.
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Weiterhin bevorzugt ist die Ausführung des Wärmeübertragers auch mehrstufig möglich, wobei die, in Rohgasströmungssicht gesehen, erste Stufe besonders temperaturbeständig (bevorzugt Hochtemperaturwärmeübertrager mit keramischen Wärmerohren) ausgeführt wird, während die weiteren Stufen entweder ebenfalls mit einem Wärmeübertrager mit Wärmerohren, ggf. nicht keramisch und mit anderen Arbeitsmedien für den entsprechenden Temperaturbereich, oder mit einer herkömmlichen Konstruktion (z. B. Rohrbündelwärmeübertrager aus metallischen Werkstoffen) realisierbar sind. So wird vorteilhaft der besonders teure Hochtemperaturwärmeübertrager auf das notwendige Einsatzgebiet beschränkt. Das Arbeitsmedium des Gasturbinenprozesses wird vorteilhaft im Gegenstrom geführt, so dass es zuerst den Wärmeübertrager der letzten und ggf. mittleren Stufen durchströmt, bevor es in den Wärmeübertrager der ersten Stufe geführt wird.
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Im offenen Gasturbinenprozess wird bevorzugt Umgebungsluft eingesetzt.
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Das entspannte Arbeitsmedium hat nach der Gasturbine noch eine hohe Temperatur. Bevorzugt liegt die Turbinenaustrittstemperatur im Bereich von 500°C bis 700°C, besonders bevorzugt von 520°C bis 650°C und ganz besonders bevorzugt von 540 °C bis 610 °C. Das Arbeitsmedium wird nach der Gasturbine daher in einen herkömmlichen Abhitzekessel (AHK) geführt, in dem die für die Vergasung benötigte Menge an Dampf (bevorzugt Sattdampf) vollständig oder zumindest teilweise erzeugt wird. Der Abhitzekessel kann ebenfalls einen mehrstufigen Wärmeübertrager aufweisen. Durch diese Prozessführung ist vorteilhaft kein ganzjähriger Wärmeabnehmer notwendig, da die Wärme intern für den Vergasungsprozess genutzt wird. Bei der energetischen Biomassenutzung wie sie derzeit betrieben und erforscht wird, ist hingegen immer eine Wärmesenke notwendig, um die Stromerzeugung ökologisch sinnvoll und wirtschaftlich zu gestalten. Durch die vorliegende Erfindung ist die Fernwärmeauskopplung nicht mehr notwendig, da die Abwärmeströme bevorzugt für die Unterstützung der stofflichen Nutzung verwendet werden. Bei offenem Gasturbinenprozess tritt lediglich Luft bei einer Temperatur im Bereich von 60°C bis 90°C, bevorzugt von ca. 77 °C aus.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt vorteilhaft eine bestmögliche Ausnutzung der Einsatzstoffe (heimische) Braun- und Steinkohle bzw. Biomasse durch eine stoffliche und energetische Nutzung und die Verringerung der Treibhausgasemissionen. Insbesondere bei der Nutzung von Biomasse aus nachhaltiger (Forst-)Wirtschaft erfolgen weniger CO2 - Emissionen. Das Verfahren stellt einen Schritt in Richtung Unabhängigkeit von Erdöl- und Kohleimporten, hin zu einer gekoppelten Strom- und Stofferzeugung dar.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Gesamtprozess, der die stoffliche und energetische Nutzung koppelt, indem Energieströme optimal genutzt werden. Kohle bzw. Biomasse (01) wird in einem Hochtemperaturvergaser (1) vergast. Das brennbare Rohgas (12) wird abgekühlt und nach einer Gasaufbereitung (2) der gewünschten Synthese (3) zugeführt. Durch die Abkühlung des Rohgases (12) wird in einem Gas-Gas-Wärmeübertrager das Arbeitsmedium (124) der Gasturbine (4) aufgeheizt. Im offenen Gasturbinenprozess wird Umgebungsluft eingesetzt. An die Gasturbine (4) ist ein Generator angeschlossen (nicht dargestellt), der Strom (40) erzeugt. Das Arbeitsmedium (45) hat nach Entspannung in der Gasturbine (4) noch eine hohe Temperatur. Das Arbeitsmedium (45) wird daher nach der Gasturbine (4) in einen herkömmlichen Abhitzekessel (AHK) (5) geführt, in dem die für die Vergasung (1) benötigte Menge an Sattdampf (501) erzeugt wird. Der Sattdampf (501) wird dann dem Vergaser (1) zugeführt.
- 2 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Prozess zur Rückgewinnung der Wärme und deren Umsetzung in Elektroenergie und Heißdampf unter Verwendung eines offenen Gasturbinenprozesses.
- 3 zeigt schematisch die Verwendung eines geschlossenen, nicht erfindugsgemäßen Gasturbinenprozesses zur Rückgewinnung der Wärme und deren Umsetzung in Elektroenergie und Heißdampf.
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Ausführungsbeispiele
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Die folgenden Ausführungsbeispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern, ohne jedoch die Erfindung auf diese zu beschränken. Die Beispiele wurden ohne Druckverluste berechnet.
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Allen vier Ausführungsbeispielen wird ein Vergaser mit den folgenden Leistungsdaten zu Grunde gelegt:
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Vergaser
| Feuerungswärmeleistung: | 500MW |
| Massenstrom Rohgas: | 39,4kg/s |
| Temperatur: | 920°C |
| Druck: | 30bar |
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Vergasungsmittel
| Dampf (37bar, gesättigt) | 11,9kg/s |
| Sauerstoff (33bar, 240°C) | 9,4kg/s |
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Beispiel 1
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Es wird auf die Darstellung in 2 Bezug genommen. Der heiße Rohgasstrom (12) aus dem Vergaser wird auf der Primärseite in den Wärmeübertrager (6) eingeleitet. Der Rohgasstrom (12) hat eine Temperatur von 920°C und einen Druck von 30 bar. Er gibt seine Wärme an das Arbeitsmedium (125), in diesem Falle Luft, ab, das verdichtet mit einer Temperatur von 15°C (Luft (120)) in den Sekundärkreis eintritt und den Wärmeübertrager (6) als gekühlter Rohgasstrom (62) bei einer Temperatur von 300°C und einem Druck von ca. 30 bar verlässt. Die Druckluft (125) hat beim Eintritt in den Wärmeübertrager (6) eine Temperatur von 268 °C. Die erhitzte Druckluft (124) verlässt den Wärmeübertrager (6) mit einer Temperatur von 900 °C bei einem Druck von 6,73 bar. Sie wird der Gasturbine zugeleitet, in der die heiße Druckluft (124) sich entspannt und abkühlt und dabei Energie an die Turbine abgibt. Diese treibt dabei neben dem Verdichter (41) auch einen Generator (nicht dargestellt) zur Stromerzeugung an. Die Druckluft (45) verlässt die Turbine (4) bei einer Temperatur von 545 °C und einem Druck von ca. 1 bar. Die heiße Druckluft (45) gelangt nunmehr in den Dampferzeuger (5), der gemeinsam mit dem Vorwärmer (55) als Abhitzekessel wirkt. Die noch heiße Turbinenabluft (45) kühlt sich im Dampferzeuger auf 251 °C und im, in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids gesehen, nachfolgenden Vorwärmer abschließend auf 77 °C bei einem Druck von 1 bar ab. Die nunmehr kühle entspannte Luft (452) (77 °C) verlässt, typisch für einen offenen Turbinenprozess, die Anlage. Im Abhitzekessel (5), bestehend aus Dampferzeuger und Vorwärmer, wird das eintretende Wasser (15°C, 1 bar) (502) zu Sattdampf (501) mit einer Temperatur von 246°C und einem Druck von 37 bar erhitzt. Das im Gegensatz zu herkömmlichen Gasturbinen hier relativ geringe Druckverhältnis von 6,73 ergibt sich aus Optimierungsberechnungen hinsichtlich des besten Wirkungsgrades in Abhängigkeit der vorgegebenen Temperaturen.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Kohle/Biomasse und Vergasungsmittel
- 1
- Vergasung
- 12
- Rohgasstrom
- 120
- kühle Luft als Arbeitsmedium des offenen Gasturbinenprozesses
- 124
- erhitztes Gasturbinenarbeitsmedium
- 125
- verdichtetes, noch nicht erhitztes Gasturbinenarbeitsmedium
- 2
- Gasaufbereitung
- 23
- Synthesegasstrom (gekühltes und gereinigtes Rohgas)
- 3
- Synthese (z. B. FT, SNG, DME, Methanolsynthese)
- 30
- Produktstrom
- 4
- Indirekt beheizte Gasturbine (Luft, He, Ar...)
- 40
- durch an die Gasturbine angekoppelten Generator erzeugter elektrischer Strom
- 41
- Verdichter für den indirekt beheizten Gasturbinenprozess
- 45
- Arbeitsmedium mit Restwärme nach Gasturbinenaustritt
- 451
- Arbeitsmedium zwischen Verdampfung und Vorwärmung
- 452
- kühles Arbeitsmedium nach dem Abhitzekessel
- 5
- Abhitzekessel
- 55
- Vorwärmer des Abhitzekessels
- 501
- Dampfstrom zur Nutzung als Vergasungsmittel oder Prozessdampf für weitere Anwendungen
- 502
- Speisewasser
- 6
- Wärmeübertrager
- 62
- gekühlter Rohgasstrom
- 7
- Speisewasserpumpe
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Zitierte Nichtpatentliteratur
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- [1] Pause, J.; Beckmann, M.: Neue Anwendungsgebiete für Wärmerohre. In: Hufenbach, W. A. (Hrsg.): Tagungsband Internationales Kolloquium des Spitzentechnologieclusters ECEMP 2010. TU Dresden, 2010. S. 215-225. ISBN 978-3-00-032522-9
- [2] Unz, S.; Beckmann, M.: Berechnungsverfahren für die Auslegung von keramischen Wärmerohr-Wärmeübertragern. In: Hufenbach, W.A.; Gude, M.: ECEMP - European Centre for Emerging Materials and Processes Dresden - Internationales Kolloquium des Spitzentechnologieclusters ECEMP 2011. Dresden 2011. ISBN 978-3-942267-43-4
