DE2460012A1

DE2460012A1 - Verfahren zur energieerzeugung mit hilfe einer eine verbrennungskammer aufweisenden gasturbine und einer expansionsturbine

Info

Publication number: DE2460012A1
Application number: DE19742460012
Authority: DE
Inventors: Albert Brent; Charles Parker Marion; James Robert Muenger; William Gleason Schlinger
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1973-12-27
Filing date: 1974-12-19
Publication date: 1975-07-10
Also published as: ATA1030074A; CA1013152A; BE823783A; US3866411A; AT375623B

Description

Patentassessor ' Hamburg, den 4. 12. 1974

Dr. Gerhard Schupfner 769/HH

Deutsche Texaco AG T 74 070 2460012

2000 Hamburg 13

Mittelweg 180

TEXxIGO DEVELOPMENT CORPORATION

135 East 42nd Street

10017 New York, N.Y.

ü. S. A.

Verfahren zur Energieerzeugung mit Hilfe einer eine Verbrennungskammer aufweisenden Gasturbine und einer Expansionsturbine.

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung und den Einsatz eines sauberen Brenngases in Gasturbinen. Die Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung eines verbesserten Brenngases aus asche- und schwefelhaltigen Kohlenwasserstoffbrennstoffen und die Verwendung des verbesserten Brenngases in Gasturbinen zwecks Erzeugung von mechanischer und elektrischer Kraft ohne nennenswerte Umweltbelästigung.

Die Betriebsabfolge in einer üblichen Gasturbine einfachster Bauart besteht aus der Luftkomprimierung mittels eines Zentrifugal- oder Axialkompressors, Verbrennen eines Brennstoffes in der komprimierten Luft in einer .Verbrennungskammer und Durchsetzen der erzeugten heissen Gase durch eine Expansionsturbine. Ein Teil der Turbinenkraft kann für den Kompressorantrieb verwendet werden, wobei der Kompressor der gleichen Seite zugeordnet sein kann. Die verbleibende Turbinenkraft

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kann üblicherweise auf einen Generator zwecks Erzeugung elektrischer Energie übertragen werden.

Wie der Stand der Technik zeigt, kann es .wirtschaftlich von Vorteil sein, minderwertige Kohle und Rückstandsheizöle direkt in die Verbrennungskammer einer Gasturbine einzugeben, wobei aber bisher praktisch nicht geprüft wurde, ob dieses Verfahren auch bei Einsatz von Brennstoffen, die hohe Asche- oder Schwefelgehalte aufweisen, gelingt/Infolge der unvollständigen Verbrennung setzen derartige stark aschehaltige pestbrennstoffe im allgemeinen abrasive und korrosive Feststoffteilchen frei. Werden solche Teilchen .im Brenngas,das eine Expansionsturbine passiert, mitgerissen, lagern sich dieselben auf den Turbinenschaufeln ab und erodieren die Schaufeloberflächen. Tritt eine solche Erosion auf, wird die Schaufelform ruiniert, was den Gasdurchgang in der Turbine hemmt. Weiter können sich die feinen Teilchen auf den in Äbstromrichtung vorhandenen Wärmetauschoberflächen ablagern, wodurch die resultierende Isolierung die thermische Wirksamkeit beeinträchtigt. Ähnliche Probleme treten auf, wenn ascheerzeugende flüssige Ölprodukte verbrannt werden. Die Asche besteht aus mineralischen Substanzen, wie sie im Rohöl gefunden werden. Diese Substanzen sammeln sich durch das Raffinationsverfahren in den Rückständen an und werden durch Si-, Fe- und Fa-Verbindungen ergänzt, die durch Transport und lagerung aufgenommen werden. V, Ni, Na, S und O sind die Hauptaschebestandteile. Nach der Verbrennung erscheinen sie als Metalloxide, Sulfate, Vanadate und Silikate des Na. Diese Verbindungen erodieren· die oxidischen Schutzfilme der Hochtemperaturlegierungen. Hierdurch wird die Oxidation, insbesondere oberhalb etwa 649°C beschleunigt. Weiterhin verschmutzt SO_? im Turbinenabgas die Atmosphäre. Bisherige Verfahren, in denen das Brenngas vor seiner Eingabe in die Gasturbine gereinigt wurde , waren entweder nicht praktikabel oder unverhältnismäßig teuer.

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In. Lösung der skizzierten Probleme wird ein Verfahren zur Erzeugung von mechanischer und elektrischer Kraft unter Verwendung einer mit einem verbesserten Brenngas betriebenen Gasturbine vorgeschlagen. Das Brenngas kann durch nichtkata-

ί
Iytische Partialoxidation eines billigen, stark schwefel- und aschehaltigen Kohlenwasserstoffbrennstoffes erzeugt werden. Das erzeugte, verbesserte Brenngas weist eine Verbrennungswärme von etwa 700 bis 3280 kcal/Nm , vorzugsweise 700 bis 937 kcal/Nm , und ein Molverhältnis CO : Hg. von mindestens etwa 0,3 auf. Durch die Verbrennung in der Gasturbine tritt im wesentlichen keine Umweltverschmutzung auf.

Die Brenngaszusammensetzung kann'für die Verbrennung in einer in AbStromrichtung im Verfahren integrierten Gasturbine weiter verbessert werden, indem ein indirekter Wärmetausch mit Wasser in einem Abhitzkessel unter Dampferzeugung und eine Säuberung und Reinigung zwecks Entfernung suspendierter Feststoffe und von Schwefelverbindungen erfolgt. Das resultierende, verbesserte Brenngas wird sodann mit einem gasförmigen

- Oxidans in der Verbrennungskammer einer Gasturbine unter Bildung eines sauberen Abgases verbrannt. Das saubere Abgas wird dann in eine Expansionsturbine als Arbeitsfluid eingeführt und Kraft erzeugt. Der gasförmige Oxidansausstrom besteht aus Luft und einem Teil des Abgases der Expansionsturbine. Die Strahlkraft der Expansionsturbine kann zum Betreiben eines elektrischen Generators, zum Komprimieren des Gxidans • für die Verbrennungskammer der Gasturbine und zum Komprimie-

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ren von CO₂ für die nichtkatalytische thermische Verschiebung verwendet werden. Die fühlbare Wärme des sauberen Abgases der Gasturbine wird vorzugsweise zum Vorwärmen des sauberen Brenngases und des gasförmigen Oxidans vor deren Eingabe in den Verbrenner verwendet. Nach einem Wärmetausch kann das Abgas der Gasturbine an die Umwelt abgegeben v/erden, ohne daß eine Verschmutzung auftritt. Dies wird vorzugsweise dann durchgeführt, wenn das Abgas in einer krafterzeugenden Turbine expandiert worden ist. Ein Teil des Abgases wird geeigneterweise mit oder ohne Luft in den Gasgenerator eingegeben. Indem der Heizwert des verbesserten Brenngases auf etwa 700 bis 3280 kcal/Nm⁵ eingestellt wird, wird der ΝΟ_χ-Anteil im Abgas auf unterhalb 10 ppm gehalten.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird zuerst ein kontinuierlicher Brenngasstrom in der feuerfesten Reaktionszone eines

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separaten, Strömungshindernisfreien, nichtkatalytischen Partialoxidationsbrenngasgenerators erzeugt. Der Gasgenerator ist vorzugsweise ei.n senkrechter Stahldruckkessel, wie er biespielsweise im TTS-PS Nr. 2.992.906 beschrieben wird. '

Ein weiter Bereich brennbarer, kohlenstoffhaltiger, organischer Materialien kann im Generator umgesetzt werden mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas in Gegenwart eines temperatursteuernden Gases unter Erzeugung des Brenngases. Der Ausdruck "kohlenwasserstoffhaltig", der hier zur Beschreibung der verschiedenen geeigneten Beschickungen verwendet wird, umfaßt gasförmige, flüssige und feste Kohlenwasserstoffe, kohlenstoffhaltige Materialien oder Mischungen derselben. Jedes brennbare, kohlenstoffhaltige, organische Material oder Aufschlämmungen desselben werden gemäß Definition erfaßt. Hierzu zählen beispielsweise:

a) pumpbare Aufschlämmungen fester, kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, z. B. Kohle, Ruß, Petrolkoks, konzentrierter Abwasserschlamm oder Mischungen derselben,

b) Gas-Peststoff-Suspensionen, z. B. feingemahlene, kohlenstoffhaltige Brennstoffe dispergiert entweder in einem temperatursteuernden Gas oder in einem gasförmigen Kohlenwasserstoff,

und

c) Gas-Flüssig-Feststoff-Dispersionen, z. B. vernebelter flüssiger Kohlenwasserstoffbrennstoff oder Wasser und Ruß dispergiert in einem temperatursteuernden Gas.

Der kohlenwasserstoffhaltige Brennstoff kann einen Schwefelgehalt von etwa 0 bis 10 Gew.-% und einen Aschegehalt von etwa 0 bis 15 Gew.-% aufweisen.

Unter dem Ausdruck "flüssiger Kohlenwasserstoff" werden verschiedene Materialien zusammengefaßt, z.' B. verflüssigtes

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Erdgas, Erdöldestillate und -rückstände, Gasolin, Naphtha, Kerosin, Rohöl, Asphalt, Gasöl.j Rückstandsöl, T.eersand- und Schieferöl, Kohleöl, aromatische Kohlenwasserstoffe £z. B. Benzol, Toluol,.Xylolfraktionen), Kohleteer, Kreislaufgasöl aus katalytischen Wirbelschichtverfahren, Furfurolextrakte des Kokereigasöls oder Mischungen derselben. Unter dem Ausdruck "gasförmiger Kohlenwasserstoff" werden verschiedene Materialien zusammengefaßt, z. B. Methan, Äthan, Propan, Butan, Pentan, Erdgas, Wassergas, Koksofengas, Raffineriegas, Acetylenabgas, iSthylenabgas, Synthesegas oder Mischungen derselben, Gasförmige und flüssige Beschickungen können vermischt oder gleichzeitig nebeneinander verwendet werden und paraffinische, olefinische, naphthenische oder aromatische Verbindungen können in jedem Verhältnis eingesetzt werden.

Auch oxidierte, kohlenwasserstoffhaltige, organische Materialien fallen unter die Definition "kohlenwasserstoffhaltig" und es kann sich um Materialien wie Kohlehydrate, Zellulosematerialien, Aldehyde, organische Säuren, Alkohole, Ketone, oxidiertes Heizöl, Abwasser und Nebenprodukte chemischer Verfahren, die oxidiertes, kohlenwasserstoffhaltiges, organisches Material aufweisen, oder Mischungen derselben, handeln.

Die kohlenwasserstoffhaltige Beschickung kann mit Raumtemperatur oder auf 316 bis 649 C vorgeheizt, eingegeben werden, wobei die Temperatur aber unter seiner Cracktemperatur liegen sollte. Die kohlenwasserstoffhaltige Beschickung kann in flüssiger Form oder als verdampftes Gemisch mit dem Temperaturmoderator in den Brenner eingeführt werden.

Geeignete Temperaturmoderatoren sind H₂O, C0₂-reiche Gase, ein Teil des abgekühlten sauberen Abgases der in Abstromrichtung eingesetzten Gasturbine mit oder ohne luft vermischt, Stickstoff als Nebenprodukt der Luftzerlegungsanlage oder Mischungen derselben.

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Der Einsatz eines Temperaturmoderators zur Steuerung der -Temperatur in der Reakt ion's zone hängt ganz allgemein vom C/H₂-Verhältnis der Beschickung und dem (^-Gehalt des Oxidansstromes ab* Ein Moderator wird nicht benötigt bei einigen gasförmigen Kohlenwasserstoffbrennstoffen. Jedoch wird ein solcher im allgemeinen mit flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoffen und mit im wesentlichen reinem-Op eingesetzt. Wird ein CO₂-haltiger Gasstrom, z. B. mit mindestens etwa.3 Mol.-Jf» CO₂ (trocken), verwendet, kann das C0/H₂-Molverhältnis des Ausstromproduktes erhöht werden. Der Moderator kann in Vermischung mit einem oder mit beiden Reaktandenströmen eingeführt werden. Alternativ hierzu kann die Eingabe in die Reaktionen zone des Gasgenerators über eine getrennte Leitung im Brenner erfolgen. Erfindungsgemäß kann das 00/H₂-Molverhältnis des Produktabgases, das als Brennstoff für eine Gasturbine dient, erhöht werden. Hierdurch kann ein höheres Druckverhältnis pro Turbinenstufe erhalten und weniger Stufen benötigt werden. Die Turbinengröße wird verkleinert und.die thermodynamische Wirksamkeit erhöht. Wird die Verwendung eines C0₂-haltigen, temperatursteuernden Gases, beispielsweise im wesentlichen reines CO₂ (mindestens 95 Mol.-96. CO₂) aus der Rückführung einer Gasreinigungszone, bevorzugt, kann die Verwendung von Zusatzwasser minimisiert, vorzugsweise ausgeschlossen werden. Vorteilhafterweise kann somit das im Verfahren erzeugte C0_? als Temperaturmoderator oder in der umgekehrten, thermischen Verschiebung oder in beiden Verfahrensstufen verwendet werden. Als Temperaturmoderator kann ein Gasstrom mit mehr als 3 Mol.-?6 CO₂ bei Raumtemperatur bis 538⁰C und einem etwas über dem Generatordruck liegenden Druck in die Reaktionszone des Generators bei einem C0₂-Brennstoff-Gewichtsverhältnis von etwa 0,3 bis 1,0 eingegeben werden. '

Werden vergleichsweise kleine H₂0-Anteile der Reaktionszone zugeführt, beispielsweise durch den Brenner zur Kühlung des Brennermundstücks, können diese entweder mit der köhlenwasser-.stoffhaltigen Beschickung, mit dem freien Sauerstoff enthaltenden Gas, mit dem Temperaturmoderator oder mit¹.Kombinationen

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derselben vermischt werden. Das Gewichtsverhältnis Wasser zu kohlenwasserstoffhaltiger Beschickung kann etwa O bis 1,0, vorzugsweise 0 bis ^ 0,2 betragen.

Unter dem Ausdruck "freien Sauerstoff enthaltendes Gas" wird Luft/ sauerstoffangereicherte Luft, d. h. mit mehr als 21 Mol.-% Op, oder im wesentlichen reiner Sauerstoff, d. h. mehr als 95 Mol.-% Op, wobei der Rest Np und Edelgase sind, verstanden. Das den freien Sauerstoff enthaltende Gas kann mit etwa Raumtemperatur bis zu etwa 982⁰C in den Brenner gegeben werden. Das Verhältnis von freiem Sauerstoff im Oxidans zum Kohlenstoff in der Beschickung (0/C, Atom/Atom) beträgt vorzugsweise etwa 0,7 bis 1,5·

Die Beschickungsströme werden in die Reaktionszone des Gasgenerators mittels eines Brenners eingebracht. Geeignet ist ein Ringbrenner, wie er beispielsweise im US-Patent Nr. 2,928,460 beschrieben wird.

Die Beschickungen reagieren ohne Katalysator in der Reaktionszone eines Strömungshindernisfreien Gasgenerators bei einer autogenen Temperatur von etwa 816 bis 1927⁰C und einem Druck von etwa 10 bis 180 atm. abs.. Die Reaktionszeit im Generator beträgt etwa 1 bis 10 Sekunden. Die Ausstromgasmischung des Generators kann folgende Zusammensetzung aufweisen (Mol.-%, trocken), wobei die Edelgase vernachlässigbar sind:

CO
H₂
CO

15 -	-	57	,0
70 -	—	10	,1
1,5 -	5
0	20
0	75
2
0

2 CH₄ N₂

H₂S COS

Der Anteil nichtumgesetzten Kohlenstoffs (bezogen auf den

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Kohlenstoff in der Beschickung) "beträgt etwa 0,2 bis 20 Gew.-% bei flüssigen Beschickungen und ist bei gasförmigen Beschikkungen gewöhnlich vernachlässigbar. Das 00/H₂-Molverhältnis (trocken) des Ausstromgases beträgt mindestens 0,3, vorzugsweise 0,3 bis 1,5.
/

Der heiße Ausstrom des Generators tritt in eine getrennte, feuerfeste Stahlkammer, vorzugsweise mit einer Temperatur von etwa 816 bis 1927⁰C, die der in der Reaktionszone entspricht, und mit dem gleichen im Generator herrschenden Druck, vorzugsweise 15 bis 60 atm. abs., ein. Beispielsweise kann die im US-Patent No. 3^565,588 beschriebene kugelförmige Kammer (12) verwendet werden. Diese Kammer weist keine Strömung shindernisse für Gase auf. Ein Teil der im Ausstromgas vielleicht mitgerissenen Feststoffe fällt aus und kann über einen Ausgang, der am Boden der kugelförmigen Kammer angeordnet ist und mit einem Schleusenstutzen, d. h. einem angeflanschten Ausgang (13), verbunden ist, abgezogen werden.

Ist es erwünscht, das CO/EL,-Molverhältnis im Ausstromgas zu steigern, wird eine niehtkatalytische, thermische, umgekehrte Wassergasumwandlung angewendet. Ein zusätzlicher COp-reicher Gasstrom, wie er nachfolgend im Verfahren gewonnen wird, wird gleichzeitig in die kugelförmige Kammer mit etwa 260 bis 816 C und einem etwas höheren als im Generator herrschenden Druck eingeführt. Vorzugsweise werden etwa 0,1 bis 2,5 Mole Zusatz-COg (trocken) pro Mol Ausstromgas in diese Kammer eingegeben. Die Gase vermischen sich und das CO₂ reagiert in einer nichtkatalytischen, thermischen umgekehrten Wassergasreaktion bei mindestens 816⁰C, vorzugsweise bei etwa 816 bis 1538⁰C, mit einem Teil des H₂ im Ausstromgas unter Bildung von weiterem CO und H₂O. Das C0/H₂-Mo!verhältnis (trocken) des Gasgeneratora.usstromes kann in dieser Verfahrensstufe um 10 - 200 %, gewöhnlich um etwa 15-50 %, erhöht werden. Das Ausstromgas verläßt die Wassergaszone mit einem 00/H₂-MoI-

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verhältnis (trocken), das größer als 0,3 bis 6,0, vorzugsweise etwa 0,4 bis 4,5, und vorteilhafterweise größer als 1,5, ist.

Die nichtkatalytische, adiabatische, thermische, umgekehrte Hochieinperatur-Wassergasumwandlungsreaktion beginnt in der isolierten kugelförmigen Kammer und setzt sich in der isolierten Leitung, die den seitlichen Ausgang der Kammer mit dem am Boden angeflanschten Eingang eines Abhitzkessels verbindet, fort, siehe hierzu US-Patent No. 3,723,344. Somit tritt eine thermische Verschiebung des AusStrombrenngases ohne Katalysator beim Übergang von einer in eine andere Verfahrensstufe ein. Die Verweilzeit in der Wassergaszone beträgt etwa 0,1 bis 5 Sekunden. Die genannte Umwandlungsreaktion tritt in einer Strömungshindernisfreien, vorzugsweise adiabatischen, Reaktionszone, die getrennt vom Generator ist, ein. Vorzugsweise sind die Temperatur- und Druckbedingungen für die Umwandlungsreaktion im wesentlichen die gleichen wie im Generator vermindert um den üblichen Druckabfall in Leitungen und vermindert um eine gewisse Abkühlung infolge der fühlbaren Wärme des Zusatz-C0₂ und der endothermen Reaktionswärme. Die Erhöhung des GO/H₂-Verhältnisses des Brenngases steigert die Verbrennungswärme pro Mol desselben und sein Molekulargewicht (MG). Bei 298⁰K ergibt sich:

CO + 1/2 O₂ ^CO₂ + 67,64 kcal/gr.-Mol 44 MG

H₂ + 1/2 O₂ __φ.Η₂0 gasf. + 57,80 kcal/gr.-Mol 18 MG

Hierdurch wird vorteilhafterweise die thermische Wirksamkeit des Brenngases in Abstromrichtung verbessert und der Einsatz kleinerer Gasturbinen ermöglicht. Weiterhin wird nur die Hälfte der für eine gute.Verbrennung in der Verbrennungskammer der Gasturbine im halbgeschlossenen Turbinenkreislauf im Vergleich zu einem offenen Turbinenkreislauf benötigte Luft verwendet.

Anschließend strömt das Ausstrombrenngas durch einen zwischengeschalteten Abhitzkessel, der in indirektem Wärmetausch mit

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Wasser steht. Hierbei wird das Brenngas auf etwa 260 bis.. . 399°C abgekühlt. Der erzeugte Dampf mit einer Temperatur von etwa 232 bis 371⁰C kann anderweitig im Verfahren verwendet werden. Beispielsweise kann er als Arbeitsfluid für eine Expansionsturbine zur Krafterzeugung oder zum Antrieb eines Kompressors in einer üblichen LuftZerlegungsanlage verwendet werden. Vorzugsweise wird überhitzter Dampf mit etwa 399 bis 593⁰C erzeugt und der überhitzte Dampf kann als Arbeitsfluid für eine Dampfturbine Verwendung finden. Das Überhitzen kann in einem Ofen, vorzugsweise mit einem Teil des sauberen Brenngases befeuert, zur Vermeidung einer Umweltverschmutzung

geschehen. .· - „_v-

Der teilweise abgekühlte Bre'nngasstrom aus dem Abhitzkessel wird in eine GasSäuberungszone geführt, wo Kohlenstoffteilchen und alle anderen mitgerissenen Peststoffe entfernt werden. Hierbei können Aufschlämmungen von Kohlenstoffteilchen in einem flüssigen Kohlenwasserstoff erzeugt werden, die man als mindestens ein Teil der Beschickung auf den Generator zurückführen kann. Jedes übliche Verfahren, das zur Entfernung suspendierter Peststoffteilchen aus einem Gasstrom geeignet ist, kann zur Anwendung gelangen. In einer Ausführungsform wird das Brenngas in eine Gas-Plüssigkeits-Waschzone eingeführt, wo es mit einer Waschflüssigkeit, wie z. B. einem flüssigen Kohlenwasserstoff oder Wasser, gewaschen wird* Eine geeignete Plüssig-Gasr-Bodenkolonne wird in Perry's Chemical Engineer's Handbook, 4. Auflage, 1963, Seiten 18-3 bis' 18-5 beschrieben.

Indem der Prozeßgasstrom die Waschkolonne nach oben in direktem Kontakt und im Gegenstrom mit einer geeigneten Waschflüssigkeit oder einer verdünnten Kohlenstoffteilchenmischung, die die Kolonne nach unten durchströmen, passiert, werden die Kohlenstoff teilchen aus dem Brenngas entfernt. Eine Aufschlämmung von Kohlenstoffteilchen und Waschflüssigkeit wird im Kolonnensumpf abgezogen und in eine Kohlenstoffabtrenn- oder Konzentrierungszone gegeben. Dies kann mit jedem geeigneten

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Mittel geschehen, beispielsweise durch Filtrieren, Zentrifugieren, Schwerkraftabsetzen oder durch Extraktion mit einem flüssigen Kohlenwasserstoff, siehe hierzu z, B. US-Patent No. 2,992,906. Klare Waschflüssigkeit oder verdünnte Mischungen von Waschflüssigkeit und Kohlenstoffteilchen werden auf den Kolonnenkopf zurückgeführt zwecks Waschen weiteren Brenngases.

Andere geeignete übliche Gaskühl- und -reinigungsverfahren können in Kombination mit oder an Stelle der genannten Waschkolonne eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Brenngasstrom unter die Oberfläche eines Pools einer Quench- und Waschflüssigkeit mittels eines Tauchrohrs geführt werden. Oder der Brenngasstrom passiert eine Reihe von Waschstufen, die einen Düsen- oder Venturi-Wascher enthalten, siehe z. B. "Perry", Seiten 18-54 bis 18-56.

Es werden im wesentlichen keine Kohlenstoffteilchen erzeugt, wenn gasförmige, kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe, wie beispielsweise Erdgas oder Methan, zum Einsatz kommen. In diesem Fall ist die beschriebene Gasreinigungsstufe nicht nötig.

In einer Gasreinigungszone werden

CO₂, H₂S, COS, H₂O, NH₃ und andere Verunreinigungen aus dem abgekühlten und gereinigten Brenngasstrom der Gassäuberxingszone entfernt. Geeignete übliche Verfahren einschließlich der Tieftemperaturauskühlung und chemischer oder physikalischer Absorption mit Lösungsmitteln, z. B. mit Methanol, n-Methylpyrrolidon, Triäthanolamin, Propylencarbonat oder alternativ mit Aminen oder heißer Pottaschlösung, sind verwendbar.

In lösungsmittelverfahrcn wird das meiste im Lösungsmittel adsorbierte CO₂ durch einfaches Verdampfen freigesetzt. Der

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Rest kann durch Strippen entfernt werden. Das Strippen kann wirtschaftlich mit Np erfolgen, wobei N₂ ^als billiges Nebenprodukt aus einer üblichen Luftzerlegungsanlage, wie sie zur Herstellung von im wesentlichen reinem O₂ (95 Mol.-% CU oder höher), der als sauerstoff reiches Gas für den Generator dient, verwändet wird, verfügbar ist. Das.regenerierte Lösungsmittel wird zur erneuten Verwendung in die Absorptionskolonne geführt.-Palls nötig, kann die Abschlußreinigung vervollständigt werden, "indem das Gas durch Eisenoxid, Zinkoxid oder Aktivkohle strömt, um restliche HpS-Spuren oder Spuren organischer Sulfide zu entfernen. Palis gewünscht, kann ein COp-reicher Gasstrom mit etwa 25 bis 99'MoI.-^, vorzugsweise mehr als 98,5 KoI,-%_t für die Wassergaszone hergestellt werden. Wahlweise kann ein gewonnener COp-Strom auf den Gasgenerator als Teil des Temperaturmoderators oder als gesamter Moderator zurückgeführt werden. In diesem Pail können geringe HpS- und COS-Anteile im COp-Strom vorhanden sein.

In ähnlicher Weise wird das H₂S-/C0S-haltige Lösungsmittel durch Verdampfen und Np-Strippen oder durch Erwärmen und Rückflußkochen bei vermindertem Druck ohne Inertgasverwendung regeneriert. HpS und COS wird in einem geeigneten Verfahren in Schwefel umgewandelt. Beispielsweise kann das Claus-Verfahren, siehe hierzu Kirk-Othmer, Eneyklopedia of Chemical Technology, 2. Auflage, 1969, Vol. 19, Seite 353, zur Anwendung kommen. Überschüssiges SOp kann entfernt und durch Binden an Kalk oder mittels eines üblichen Extraktionsverfahrens beseitigt werden. Im allgemeinen hat das saubere Brenngas folgende Zusammensetzung, ΜοΙ,-%. trocken:

H₂ 10-60

CO 15-60

CH₄ 0-25

CO₂ 0-5

N₂ 0 - 65

Die Verbrennungswärme beträgt mindestens 656 kcal/Nm"⁵, ge-

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•ζ ■*'·· ■

eigneterweise 703 bis 3 280 kcal/Nm und vorzugsweise 703 bis 406 kcal/Nm³.

Das saubere Brenngas aus der Gasreinigungszone weist eine Temperatur von etwa 37,8 bis 427°C und einen Druck von etwa 10 bis 180 atm. abs-., vorzugsweise 15 bis 60 atm. abs., auf, insbesondere aber einen Druck, der im wesentlichen gleich dem im Generator vermindert um den üblichen Druckabfall in den Leitungen ist. Vorzugsweise wird das Brenngas auf etwa 204 bis 427°C durch indirekten Wärmetausch mit einem Teil heißen Abgases aus der in Abstromrichtung befindlichen Hauptexpansionsturbine erwärmt, bevor*es in den Verbrenner der Gasturbine eingeleitet wird. Etwa 1 bis 3 Volumen gasförmigen Oxidans pro Volumen sauberes Abgas werden gleichzeitig in den Verbrenner eingegeben. Das gasförmige Oxidans enthält ein freien Sauerstoff enthaltendes Gas (vorzugsweise Luft) und einen Teil des Abgases der Expansionsturbine. Das Verhältnis von freien Sauerstoff enthaltendem.Gas zum Abgas beträgt etwa 0,2 bis 2,0 Volumen, vorzugsweise 0,4 bis 1,2 Volumen. Der vorgewärmte Strom des sauberen Brenngases wird im gasförmigen Oxidans in der Verbrennungskammer einer Gasturbine verbrannt.

Wenn das Oxidans in die Verbrennungskammer mit etwa 204 bis 399⁰C und mit einem Druck, der dem des Brenngases im wesentlichen entspricht, eingegeben wird, weist das saubere Abgas etwa 760 bis 1649⁰C, gewöhnlich 871 bis 1149⁰C, einen Druck von etwa 3,52 bis 70,3 kg/cm oder höher, vorzugsweise 7,03 bis 28,-1 kg/cm oder höher und folgende Zusammensetzung

(Mol.-Ji) auf:	. 4 -	10
CQ₂	3 -	6
H₂O	75 -	85
N₂	ς _	10
°2

Nur sehr geringe EO^-Anteile werden im Abgas gefunden. Dies

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rührt daher, daß eine vergleichsweise niedrige Temperatur in der Verbrennungskammer herrscht, die vorwiegend das Ergebnis der vergleichsweise niedrigen adiabatischen Flammtemperatur des verbessertes Brenngases ist. Weiterhin ist der SC^- röid der Kohlenstoffteilchen-Gehalt des Abgases vernachlässigbar.

Has saubere Abgas der Verbrennungskammer passiert mindestens eine krafterzeugende Expansionsturbine als Arbeitsfluid. Beispielsweise wird die Turbine von mindestens einem elektrischen Generator und mindestens einem Turbokompressor angetrieben, wobei sie über eine geschwindigkeitsabhängige Drehzahl gesteuert wird. Das Gxidans wird vor der Eingabe in die Verbrennungskammer und das COq aus der Gasreinigungszone vor der Rückführung auf den Generator oder auf die kugelförmige Mischkammer mittels der genannten Turbokompressoren auf einen geeigneten Druck, z. B. 10 bis 190 atm. abs., komprimiert.

Das saubere Abgas verläßt die Hauptexpansionsturbine mit etwa 427 bis 649⁰C und 1 bis 7 atm abs.. Etwa 0 bis 50 Vol.-96 dieses Abgasstromes können wahlweise abgetrennt und durch einen Wärmetauscher in indirektem Wärmetausch mit sauberem Abgas auf seinem Weg in die Verbrennungskammer der Gasturbine geschickt werden. Nachldem Wärmetausch kann das abgekühlte Abgas über einen Kamin nach außen abgegeben werden. Es tritt keine Umweltverschmutzung ein, da alle gasförmigen Verunreinigungen, vorher entfernt wurden. Vorzugsweise wird das ausgetauschte Abgas nach seiner Expansion in einer krafterzeugenden Turbine abgelassen.

Das Restabgas aus der Hauptexpansionsturbine wird durch einen Wärmetauscher in indirektem Wärmetausch mit dem komprimierten Oxidans geschickt. Hierdurch heizt sich das Oxidans auf etwa 149 "bis 427 C auf vor seiner Eingabe in die Verbrennungskammer der Gasturbine. Etwa 20 bis, 70 Vol.-% des zuvor durch

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indirekten Wärmetausch auf etwa 37,8 bis 149⁰C abgekühlten Abgases kann ohne Verschmutzung der Umwelt abgeblasen werden, vorzugsweise nach seiner Expansion in einer krafterzeugenden Turbine. Der Rest des abgekühlten Abgases wird mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas unter Bildung des Oxidans vermischt. Vorzugsweise v/ird Luft mit Raumtemperatur und Normaldruck über einen geladenen Kompressor, der mit der Welle der Hauptexpansionsturbine gekoppelt ist, in das System eingeführt. Das vorstehend zitierte Oxidans hat folgende Zusammensetzung, in Mol.-%: CO,

'2

H₂O

3 -	5
1	4
75 -	85
10	20
0,9 -	1,5.

Das Oxidans wird auf einen gewünschten Druck von etwa 5 bis 65 atm. abs. in mindestens einem Kompressor, vorzugsweise an die Welle der Hauptexpansionsturbine gekuppelt, komprimiert, Kormalerweise wird der Gasstrom vor und zwischen den Kompressoren abgekühlt. Das Oxidans wird sodann erwärmt und in die Verbrennungskammer der Gasturbine eingeleitet. Wahlweise können 0 bis 20 Vol.-56 des Oxidans in den Gasgenerator als mindestens ein Teil des Temperaturmoderators eingegeben werden.

Wahlweise kann das im Generator erzeugte und im Abhitzkessel abgekühlte Brenngas als Arbeitsfluid in einer kraftentwickeln-

den, in die Anlage eingebauten, beispielsweise nach dem Abhitzkessel und geeigneterweise nach der Gassäuberungs- oder -reinigungszone angeordneten Expansionsturbine verwendet werden.

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Die Gewinnung der Eigenwärme des sauberen Rauchgases, welches die Expansionsturbine mit Temperaturen im Bereich von ca. 427 bis 649°C und unter einem Druck im Bereich von ca. 1,0 bis 7,0 ata verläßt, kann durch Wärmeaustausch mit dem Dampf erfolgen, der in dem Abhitzkessel in Abstromrichtung des Gasgenerators erzeugt worden ist. Dabei kann überhitzter Dampf mit einer Temperatur von ca. 399 bis 649°C hergestellt werden. Der überhitzte Dampf kann zum Betreiben der Expansionsturbine verwandt werden. Die Axialwelle der Dampfturbine, z.B., kann durch einen variablen Antrieb mit der Welle eines Turbokompressors oder eines Stromgenerators oder mit beiden verbunden sein. Das saubere Rauchgas kann dann in dem Turbokompressor auf einen Druck von über 10 bis 180 ata bei einer Temperatur von vorzugsweise ca. 204 bis 316 C komprimiert werden. Es kann dann das gesamte oder ein Teil des sauberen Rauchgases als temperaturmoderierendes Gas in den Gasgenerator zurückgeführt werden. Andrerseits kann das saubere Rauchgas auch an die Atmosphäre abgegeben werden,ohne Verschmutzung zu erzeugen. Andrerseits kann die Eigenwärme in dem Rauchgas, das die Expansionsturbine verläßt, dadurch gewonnen werden, daß die in die Verbrennungskammer der Gasturbine eingeführte Luft vorgewärmt wird, zusätzlicher Hochdruckdampf erzeugt wird, oder das in den Kessel eingeführte Wasser vorgewärmt wird.

Zeichung .

Der strcmungshindernisfreie, nichtkatalytische, feuerfest

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ausgekleidete Gasgenerator (1) ist mit einem axial angeflanschten, in AufStromrichtung angeordneten Einlaß (2) und in Abstromrichtung mit einem angeflanschten Auslaß (3) versehen.

Ein Ringbrenner (4) mit einem zentralen Durchgang (5), der zur Achse des Generators ausgerichtet ist, ist im Einlaß (2) eingebaut. Der Durchgang (5) weist /"" Auf stromabschnitt (6) und ein konisches Abströmende (7) auf. Ein konzentrischer, koaxialer Ringdurchgang (8) mit einem AufStromeinlaß (9) und einem konischen Ablaß (10) ist weiterhin vorhanden.

Mit dem Auslaß (3) ist der angeflanschte Eingang (11) einer feuerfest ausgekleideten, Strömungshindernisfreien, kugelförmigen Kammer (12) verbunden. Die Kammer (12) weist einen normalerweise geschlossenen, angeflanschten Ascheauslaß (13), einen seitlich angeflanschten Einlaß (14) und einen feuerfest ausgekleideten Seitenauslaß (15), dessen Abströmende (16) mit einem Abhitzkessel (17) verbunden ist, auf. Beispielsweise wird Wasser in der Leitung (18) durch das Rohr (19) im Kessel (17) in indirekten Wärmetausch mit heissen Gasen, die an der Außenseite des Rohres vorbeiströmen, treten. Das Wasser verdampft und tritt durch die Leitung (20) als Dampf aus. Auch andere geeignete Kessel können eingesetzt werden.

Kohlenwasserstoffhaltig^ Beschickung in flüssiger oder Dampfform wird über Leitung (25), Ventil (26) und Leitungen (27)/ (34) in das Verfahren eingeführt. Mittels der Pumpe (28) können konzentrierte Aufschlämmungen von Kohlenstoffteilchen in Wasser oder in flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoffen aus der Kohlenstoffabtrennzone (29) durch die Leitungen (3O)/(31), Ventil (32), Leitung (33) in die Leitung (34) gepumpt und hier mit den Beschickungsströmen vermischt werden. Die Beschickungsmischung wird sodann vorzugsweise im Wärmetauscher (220) vorgewärmt und über die Leitung (221), Einlaß (9) und den Ringdurchgang (8) des Brenners (4)in die Reaktionszone

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(35) des Generators (1) eingegeben.

Ein Teil des im Abhitzkessel (17) erzeugter Dampfes kann als temperatursteuerndes Fluid über die Leitung (20), Leitungen

(36) - (38), Ventil (39), Leitungen (40)/(41) und den zentralen Durchgang (5) des Brenners (4) in die Reaktionszone (35) eingeleitet werden. Ein weiterer Teil dieses Dampfes kann als Arbeitsfluid in einer Dampfturbine Verwendung finden. Beispielsweise passiert der Dampf die Leitungen (20)/(36)/ (37)/(45)/(46), Ventil (47) und Leitung (48) in die Expansionsturbine (49). Abgasdampf tritt durch Leitung (50) aus. Die Expansionsturbine (49) treibt den Turbokompressor (51) an, der die über die Leitung (52) eintretende Luft komprimiert und denselben durch die Leitung (53) verläßt. Die komprimierte Luft wird sodann über Leitung (53), Ventil (55), Leitungen (56)/(57), Ventil (58), Leitungen (59)/(41) und den zentralen Durchgang (5) des Brenners (4) in die Reaktionszone (35) eingeführt.

Wahlweise kann die Luft oder ein Teil derselben vom Turbokompressor durch im wesentlichen reinen Sauerstoff im Generator (1) ersetzt werden. Op und N₂ werden in einer beigeordneten üblichen Luftzerlegungsanlage (42) hergestellt/ wobei im wesentlichen reiner Sauerstoff über Leitung (63) und N₂ über Leitung (64) abgenommen wird. Np kann in der Gasreinigungszone (65) verwendet werden. Ein Teil des im Abhitzkessel (17) erzeugten Dampfes kann man zum Betreiben der Dampfturbine (69) verwenden. In diesem Fall wird der Dampf durch die Leitungen (2O)/(36)/(37)/(45)/(66), Ventil (67) und Leitung (68) als Arbeitsfluid durch die Dampfturbine (69) geschickt und verläßt sie durch Leitung (70). Luft wird in den gekoppelten Turbokompressor (71) durch Leitung (72) eingegeben. Die Luft wird komprimiert und dann in die LuftZerlegungsanlage (42) über Leitung (73) geführt. Sauerstoff aus der Leitung (63) wird in einem dampfangetriebenen Kolbenverdichter oder Zentri-

50 9828/0198 __1q_

fugalkompressor (74) komprimiert und durch Leitung (75), Ventil (76), Leitungen (77)/(78), Ventil (79), Leitungen (80)/ (41) durch den zentralen Durchgang (5) des Brenners (4) geschickt. Dampf zum Kompressorantrieb (74) kann vom Abhitzkessel (17) über die Leitungen (20)/(36)/(85), Ventil (86) und Leitung (87) erhalten werden. Die benötigte Kraft für die Luftzerlegungsanlage kann durch Erzeugung eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases mit 60-80 Mol.-% O₂ minimisiert werden.

Vorzugsweise wird anstatt des Dampfes oder in Kombination mit demselben ein COp-haltiges Gas als Temperaturmoderator in die Reaktionszone (35) eingeführt, wobei dieses Gas ζ. Β. eine Mischung von Luft und Abgas aus der Leitung (187), ein COgreicher Strom mit oder ohne geringe Mengen HpS und COS aus der Leitung (91) oder eine Mischung beider ist. Der COp-reiche Strom wird aus der Gasreinigungszone (65) bei der Reinigung des Generatorausstroms gewonnen. Der die Zone (65) durch die Leitung (91) verlassende COp-reiche Strom kann im Turbokompressor (92) komprimiert und sodann in die Reaktionszone (35) durch die Leitungen (93)/(94), Ventil (95), Leitungen (96)/ (57), Ventil (58), Leitungen (59)/(41) und den zentralen Durchgang (5) des Brenners (4) eingeführt werden. Vorzugsweise wird ein Teil des COp-reichen Stromes in die kugelförmige Mischkammer (12) über Leitung (97), Ventil (98), Leitung (99) und den angeflanschten Eingang (14) gegeben. In der Kammer (12) tritt die umgekehrte, niehtkatalytisehe Wassergasreaktion mit einem Teil des im Generatorausstrom vorhandenen H₂ unter Erhöhung des CO/Hp-Molverhältnisses des Brenngases ein.

Wahlweise wird ein komprimierter Oxidansstrom aus der Leitung (187) in die Reaktionszone (35) als Temperaturraoderator eingeführt. Beispielsweise kann dies über Leitung (101), Ventil (102), Leitungen (103)/(78), Ventil (79), Leitungen

509828/019 8 "²⁰~

•Αι.-

(8Ο)/(41) und den zentralen Durchgang (5) erfolgen. Im wesentlichen reiner Sauerstoff aus der Leitung (77) kann mit dem Oxidans in der Leitung (78) gemischt werden. Oder, ein Teil des Oxidans kann in Vermischung mit kohlenwasserstoffahltiger Beschickung in die Reaktionszone eingeführt werden.

Der Generatorausstrom wird mit CO₂ in der Kammer (12) vermischt, hier und auch in der Leitung (15) thermisch umgewandelt und im Abhitzkessel (17) abgekühlt. Der abgekühlte Prozeßgasstrom wird durch die Leitungen (111)/(112), Ventil (113), Leitungen (114)/(115) und den angeflanschten Einlaß (116) in eine übliche Gassäuberungszone (110) geschickt. Wahlweise wird alles oder ein Teil des teilweise abgekühlten Ausstroms als Arbeitsfluid in einer oder mehrerer Expansionsturbinen, die an verschiedenen Punkten der Anlage angeordnet sind, z. B. vor oder nach der GasSäuberungszone (110) oder der Gasreinigungszone (65), verwendet. Beispielsweise kann der rohe Ausstrom in der Leitung (111) durch Leitung (117)» Ventil (118) und Leitung (119) in die Expansionsturbine (120) geführt werden. Das die Turbine (120) verlassende Gas wird durch Leitung (121), Ventil (122), Leitungen (Ϊ23)/(115) und den angeflanschten Einlaß (116) abgegeben. Die Turbokompressoren (124) und (125) werden von der Expansionsturbine (120) angetrieben und können zur Kompression weiterer Prozeßfluide verwendet werden. Beispielsweise wird H₂ über Leitung (126) in den Kompressor (124) ein- und durch Leitung (127) aus demselben abgeführt. Luft kann über Leitung (128) in den Kompressor (125) ein- und durch Leitung (129) aus demselben abgeführt werden.

Das rohe Ausstromgas des Generators (1), das im Abhitzkessel (17) teilweise abgekühlt wurde, wird in der Gassäuberungszone (110) weiter-abgekühlt und gereinigt, indem es in direkten Kontakt mit sauberer Waschflüssigkeit oder mit zurückgeführter und verdünnter Aufschlämmung von Kohlenstoffteilchen

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und Waschflüssigkeit tritt. Die saubere Waschflüssigkeit kann in die Zone (110) durch leitung (134), Ventil (135) und Leitungen (136)/(137) eingeführt werden. Beispielsweise ist diese Zone (110) eine senkrechte Waschkolonne mit einer Vielzahl von Böden. In diesem Pail strömt das Gas durch den Turm nach oben und tritt auf jedem Boden in Kontakt mit einer Waschflüssigkeit, z. B. mit Wasser oder flüssigem Kohlenwasserstoff, die aufgrund der Schwerkraft durch den Turm nach unten fließen. Hierbei werden die Kohlenstoffteilchen ausgewaschen. Das Brenngas wird bei seinem Durchtritt durch den Turm zunehmend sauberer, während die Konzentration der Kohlenstoff teilchen in der Waschflüssigkeit ansteigt. Die Aufschlämmung von Kohlenstoffteilchen und Waschflüssigkeit wird aus dem Sumpf der Kolonne (110) abgezogen und über Leitung (138) in die Kohlenstoffabtrennzone (29) eingegeben.

In der Zone (29) kann die Aufschlämmung auf übliche Weise behandelt werden unter Bildung einer sauberen Waschlfüssigkeit und einer Aufschlämmung. Aus der Zone (110) wird über Leitung (138) eine etwa 2 Gew.-% Kohlenstoffteilchen enthaltende Aufschlämmung in Wasser mit Naphtha vermischt und in einem Dekanter in der Zone (29) geführt. Es bildet sich eine Kohlenstoffteilchen-Naphtha-Dispersion, Klarwasser wird abgezogen und dasselbe als mindestens ein Teil der Waschflüssigkeit über Leitung (140), Pumpe (139) und Leitungen (141)/(137) in die Zone (110) zurückgeführt. Frisches, schweres, flüssiges Heizöl aus Leitung (43) wird in eine Destillationskolonne der Zone (29) zusammen mit der Kohlenstoffteilchen-Naphtha-Dispersion aus dem Dekanter eingegeben. 'Naphtha wird am Kopf der Kolonne abgezogen und zur Extraktion weiteren Wassers aus der Aufschlämmung zurückgeführt. Mit der Pumpe (28) kann eine vorgewärmte Aufschlämmung von Kohlenstoffteilchen und schwerem Heizöl vom Sumpf der Destillationskolonne durch die Leitungen (3O)/(31), Ventil (32), Leitungen (33)/(34), Vorwärmer (220), Leitung (221), Einlaß

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-üb-

(9) und Ringdurchgang (8) in die Reaktionszone (35) gepumpt werden.

Der saubere Brenngasstrom aus der Zone (110) wird in eine übliche Gasreinigungszone (65) durch Leitung (142) geführt. HpS und COS werden aus dem Brenngas entfernt- und verlassen die Zone (65) durch Leitung (143). In der Claus-Anlage (144) wird H₂S mit Luft aus der Leitung (145) unter Bildung von Schwefel und HpO, die durch Leitung (146) bzw. Leitung (147) abtransportiert werden, verbrannt. Überschuß-Hp und weitere nichtverschmutzende Verunreinigungen werden durch Leitung (148) abgeblasen. ·

Sauberes Brenngas aus der Leitung (149) wird im Wärmetauscher (150) vorgewärmt und in die. Yerbrennungskammer (152) der Gasturbine über Leitung (151)geführt. Die Temperatur des sauberen Brenngases kann im Wärmetauscher (150) durch indirekten Wärmetai sch mit einem Teil des Abgases aus der Hauptturbine (153) vor seiner Abgabe an die Atmosphäre vorgewärmt werden. Beispielsweise, passiert ein Teil des Abgases die.Leitung (155), das Ventil (156), die Leitung (157), den Wärmetauscher (150), die Leitung (158), die Turbine (159) und die Leitung (I6O) zum Kamin. ·

Gleichzeitig passiert ein anderer Teil des Abgases aus der Turbine (153) ,Leitung (165), Wärmetauscher (166)., Leitungen (167)/(168)/(169) und wird mit Luft vermischt, die durch Leitung (170), Turbokompressor (171) und Leitung (.17) in die Anlage eintritt. Die Luft-Abgas-Mischung in Leitung (169), nachfolgend als gasförmiges Oxidans bezeichnet, wird im Wärmetauscher (173) abgekühlt und durch Leitung (174), Turbokompressor (175), Zwischenkühler (176), Turbokompressor (177), Leitung (178), Wärmetauscher (.166), Leitungen (179)/(18O) in die Verbrennungskammer (152) geschickt. Geeigneterweise kann ein Teil des vorgewärmten Oxidans aus der Leitung (179) über

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Leitung (185), Ventil (186) und Leitungen (187)/(101) in den Generator (1) gegeben werden.

Das saubere Brenngas wird in der Kammer (15) unter Bildung eines sauberen Rauchgases, das über Leitung (188) austritt, verbrannt. Das Rauchgas passiert die Hauptexpansionsturbine (153) als Arbeitsfluid. Die Turbokompressoren (92)/(i75)/ (177)/(171) und der elektrische Generator (189) werden von den Expansionsturbinen,(153) und (159) angetrieben. Diese Einheiten können an die gleiche Welle gekoppelt oder beispielsweise durch eine Fluidkupplung, z. B. (190), verbunden sein.

Das saubere heiße Rauchgas der Hauptexpansionsturbine (153) tritt durch Leitung (154) aus derselben aus und kann in zwei Ströme gespalten werden in den Leitungen (155) und (165). Das Gasvolumen jedes Stromes kann über übliche Wärme- und Gewichtsrechnungen bestimmt werden. Wahlweise kann ein Teil des Turbinenabgases vor oder nach dem Wärmetauscher (166) abgezogen und abgeblasen werden. Beispielsweise passiert Abgas Leitung (195), Ventil (196), Leitung (197), Turbine (159).und Leitung (160). Das saubere Abgas aus der Leitung (160) kann über einen Schornstein ohne Umweltverschmutzung abgeblasen werden, vorzugsweise durch eine krafterzeugende Expansionsturbine (159). Wahlweise kann ein Teil des sauberen Abgases aus der Leitung (160) über Leitung (101) in den Gasgenerator eingeführt werden.

Andererseits kann die relativ niedrige Wärme, die aus dem Gasturbinenkreislauf, ζ. B. aus dem Abgas in Leitung (154), gewonnen wird, als Energiequelle für eine Absorptionstiefkühlung verwendet werden. Die Tiefkühlung kann für die Luftzerlegung und CO₂-Entfernung durch Kondensation oder durch Absorption in einem Lösungsmittel bei niedriger Temperatur eingesetzt werden. Das Abgas kann auch zum Vorwärmen der Generatorbeschickungsströme, zum Vorwärmen der in die Gassäuberungs-

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zone gehenden Waschflüssigkeit oder zur Dampferzeugung Verwendung finden. Die niedrige Wärme kann auch zur Regenerierung der für die COp-Absorption eingesetzten Agentien, z. B. MEA oder KpCO^-Lösung, Verwendung finden.

Der turbinenangetriebene elektrische Generator (189) kann elektrische Kraft zum Antrieb wichtiger mechanischer und elektrischer Ausrüstungen und Instrumente, einschließend die Gaserzeugung und Luftzerlegung, liefern. Die überschüssige Elektrizität wird abgegeben. Dieses Schema hat einen großen praktischen Vorteil, weil die Gesamtanlage unabhängig von äußeren elektrischen Energiequellen betrieben werden kann. Andererseits kann auch mechanische Kraft an der Kupplung (190) abgegeben werden.

Beispiel

Das nachfolgend dargestellte Verfahren läuft kontinuierlich ab und-die Geschwindigkeiten der Materialströme sind pro

3 *
Stunde berechnet. 404 565 Nm wurden durch Partialoxidation eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffes mit Luft in einem bekannten, senkrechten, nichtkatalytischen, strömungshindernisfreien, feuerfesten Gasgenerator erzeugt. Ein Teil des Abgases einer in Abstromrichtung angeordneten Gasturbine in Vermischung mit Luft wurde in die Reaktionszone zur Temperatursteuerung eingegeben. Das Brenngas wurde im Generator bei einer autogenen Temperatur von 1 193,3°C und 27 atm. abs. erzeugt. Die durchschnittliche Verweilzeit im. Generator betrug etwa 2 Sekunden. Das Brenngas hatte folgende Zusammensetzung, in Mol.-%:

co	15,51
H₂	10,17
co₂	4,55
H₂O	5,12
N₂	63,17
CH₄	-
" Ar	0,80
H₂S	0,15
COS	0,01
Brenngas	5 09828/0198

-25«

- 23 -

Etwa 2 179,2 kg nichtumgewandelter Kohlenstoff waren im Ausstrom vorhanden. Das Molekulargewicht nach der Entfernung von HpO, Kohlenstoffteilchen, COp und HpS in einer in Abstrorarichtung angeordneten Gasreinigungszone betrug 25,17 und die Nettoverbrennungswärme 774,1 kcal/Nm .

Die Beschickung zur Herstellung des Brenngases durch Partialoxidation im Generator, indem dieselbe kontinuierlich durch einen Ringbrenner eingeführt wurde, bestand aus einem kohlenwasserstoff haltigen Brennstoff,der 47 581 kg einer pumpbaren Aufschlämmung war. Die Aufschlämmung wurde auf etwa 26O⁰C erwärmt und bestand aus 2 181 kg Kohlenstoffteilchen und 45 400 kg reduced Crude:

Analyse, Gew.-%.	C	86,1
	H₂ .	11,0
	S	2,0
	N₂	0,8
	Asche	0,01.
API-Dichte ,Grad		TO,9
Verbrennungswärme
kcal/kg		10 162,6
Viskosität,
SUS bei 50⁰C		822

Etwa 183 387 Nm⁵ Luft und 133 946 Nm⁵ Abgas wurden vermischt mit 260 C in die Reaktionszone eingegeben.

Aller Generatorausstrom passierte eine feuerfeste, kugelförmige, Strömungshindernisfreie, in Abstromrichtung angeordnete Kammer. Ein Teil der im Brenngas mitgerissenen Feststoffe fielen aus und wurden durch einen Bodenauslaß in der Kammer entfernt. Mittels eines Abhitzkessels und indirekten Wärmetaüsch mit Wasser wurde das Brenngas auf etwa 427⁰C abgekühlt. Gleichzeitig wurde Dampf mit etwa 427°C im Abhitzkessel erzeugt. Wahlweise kann ein Teil des Dampfes zum Antrieb von Kompressoren in einer Luftzerlegungsanlage zwecks Erzeugung von im

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wesentlichen reinem O₂ und N₂ verwendet werden. Wahlweise kann der erzeugte O_? in den Generator und Ii₂ in eine in Abstromrichtung angeordnete Gasreinigungszone eingeführt werden.

Im wesentlichen alle Kohlenstoffteilchen und alle anderen restlichen Peststoffe wurden in einer üblichen Gas-Plüssig-Waschkolonne aus dem Brenngas entfernt. Es wurde hierbei eine Aufschlämmung von Kohlenstoffteilchen und Rohöl hergestellt und als Beschickung in den Generator eingegeben. CO₂, H₂S, COS und wahlweise H₂O wurden in einer Gasreinigungszone entfernt und ein verbessertes Brenngas folgender Zusammensetzung, M0I.-96, trocken, hergestellt:

H₂ .11,37

CO 17,34

N₂ 70,39

Ar ■- 6,90

Etwa 361 750 Nm sauberes Brenngas wurden bei etwa 427 C und etwa 20 atm. abs. in die Verbrennungskammer einer Gasturbine_< eingegeben. Gleichzeitig erfoHgjbe die Eingabe von etwa 11 492 kg Oxidans, bestehend aus 57,19 ToI.-% Luft und 42,21 YoI.-% Abgas einer Expansionsturbine, bei im wesentlichen gleicher Temperatur und Druck wie das Brenngas und wahlweise die Eingabe von H₂O. 1 1^7 837 Nm⁵ sauberes Abgas mit etwa 1 093⁰C und etwa 15 Atmosphären wurden erzeugt. Es wies folgende Zusammensetzung auf , Mol.-%:

^ ■ ' 79,17

CO₂ · 7,79

H₂O 4,99

Ar 1,015

O₂ 6,784

Das saubere Abgas passierte eine Expansionsturbine, die 343 610 PS erzeugte. An die Welle der Turbine angekoppelt und von derselben angetrieben wurde ein elektrischer Generator und mindestens ein Kompressor, der für die Kompression des Oxidans und für die" Bereitstellung mindestens eines Beschik-, kungsstromanteils für die Verbrennungskammer der Gasturbine . diente-.

50 9 828/0 198 -27-

"as.

Das Abgas der Expansionsturbine mit etwa 507 C und etwa 1,5 atm. abs. wurde vorteilhafterweise in zwei Ströme aufgespalten, "Z

695 046 Nm Abgas wurden durch den Wärmetauscher (150) auf dem Weg in die Verbrennungskammer geführt. Nach dem Wärmetausch hatte das Abgas eine Temperatur von 316°C, passierte eine Turbine und wurde sodann abgeblasen. Die Turbine lieferte 15 816 PS. Der zweite Abgasstrom wurde durch den Wärmetauscher (166) geschickt, wo indirekter Wärmetausch mit dem Oxidans, bestehend aus 702 139 Nm⁵ Luft und 520 041 Nm⁵ Abgas, erfolgte. Vor dem Wärmetausch war das Oxidans mit mindestens einem Kompressor, vorzugsweise von der Hauptexpansionsturbine angetrieben, auf einen etwas höheren als im Gasgenerator herrschenden Druck komprimiert worden. Mindestens ein Teil des Oxidans wurde auf etwa 427⁰C erwärmt und in die Verbrennungskammer der Gasturbine gegeben.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der ein Teil des in der Gasreinigungszone gewonnenen COp zur Verbesserung der Brenngaszusammensetzung, -molekulargewicht und -verbrennungswärme eingesetzt wurde, wurden etwa 50 999 Nnr CO₂-reiches Gas mit mehr als 95 Mol.-% CO₂ aus der Gasreinigungszone in einem von der Hauptturbine angetriebenen Turbokompressor auf einen etwas höheren als im Gasgenerator herrschenden Druck komprimiert. Mit etwa 427⁰C wurde der komprimierte C0₂-Strom in einen Reaktor, wie beispielsweise in den Reaktor (12), eingegeben und mit etwa 404 339 Nnr Gasgeneratorausstromgas, T = 1 193,3⁰C* gemischt. Bei oberhalb 816 C erfolgte die umgekehrte Wassergasreaktion im Reaktor (12) und der Leitung (15), wobei das CO/H₂-Molverhältnis erhöht wurde. Das verbesserte Brenngas hatte folgende Zusammensetzung, in MoL-%:

CO 16,61

H₂ 6,23

CO₂ . 13,25

H₂O 7,05

- Np 56,00

-28-509828/0198

' - 2β-

-CH₄ -

Ar 0,72

H₂S 0,13

COS 0,01

Das Molekulargewicht des umgewandelten trockenen Brenngases nach der CO₉- und H₉S-Entfernung stieg auf 26,09 und die

Uettoverbrennungswärme auf 827,5 kcal/Nm . Wird dieses Brenngas in der Gasturbine verbrannt, steigt die Expanderleistung

öler

im Vergleich zu dem in anfänglich dargestellten Ausführungsform hergestellten Brenngases. Im Vergleich zum offenen Kreisprozeß, bei dem alles Abgas der Expansionsturbine direkt abgeblasen wird, wird mittels dem vorliegenden Verfahren weniger als etwa 0,1 bis 0,5 der Überschußluft-Eingabe für eine wirksame Verbrennung benötigt.

_:-29-509828/0198

Claims

- 39 -

T 74 070 Patentansprüche

Verfahren zur Energieerzeugung mit Hilfe einer eine Verbrennungskammer aufweisenden Gasturbine und einer Expansionsturbine, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas in Gegenwart eines Temperaturmoderators in der Reaktionszorie eines Gasgenerators in einer nichtkatalytischen Partialoxidationsreaktion bei einer autogenen Temperatur von etwa 816 bis 1927°C und etwa 10 bis 180 atm. abs. unter Bildung eines Gasausstroms umgesetzt wird,

b) der Generatorausstrom abgekühlt und in eine Gassäuberungs- und -reihigungszone eingegeben wird, wobei getrennt ein sauberer Brenngasstrom, ein COp-reicher Gasstrom, eine Aufschlämmung von Kohlenstoffteilchen in einem flüssigen Träger und ein H_?S-/COS-reicher Gasstrom erhalten werden,

c) der saubere Brenngasstrom in die Verbrennungskammer der Gasturbine eingeleitet und mit einem gasförmigen Oxidansstrom unter Bildung eines sauberen Rauchgasstroms verbrannt wird

und

d) der·saubere Rauchgasstrom durch die Expansionsturbine unter Bildung eines sauberen Abgasstroms geleitet und mindestens ein Teil des Abgasstroms mit Luft unter Bildung des gasförmigen Oxidansstroms vermischt wird.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Oxidansstrom in mindestens einem Kompressor, der an die Expansionsturbine gekoppelt ist, kompri-

-30-509828/0198

miert und mit mindestens einem Teil des Abgases der Expansionsturbine durch indirekten Wärmetausch vorgewärmt wird, bevor mindestens ein Teil des Oxidansstroms in die Verbrennungskammer gegeben wird. ·
3.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Oxidansstroms als mindestens ein Teil des Temperaturmoderators in den Gasgenerator eingegeben wird.
4.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , ..daß das verbesserte Brenngas vor seiner-Verbrennung in der Verbrennungskammer durch indirekten Wärmetausch mit einem Teil des sauberen Abgases vorgewärmt wird. " -
5.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Wärmetausch ein Teil des abgekühlten sauberen Abgases über eine Expansionsturbine abgeblasen wird.
6.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verfahrensstufen a) bis c) bei im wesentlichen gleichem Druck gearbeitet wird. ·
7.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als mindestens ein Teil .des Temperaturmoderators mit tLO, mit einem aus der Gasreinigungszone gewonnen COp-reichen Strom oder mit Mischungen derselben gearbeitet wird.
8.) Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der abgekühlte Generatorausstrom bei im wesentlichen dem im Generator herrschenden Druck durch eine in A#Btromrichtung von der Gasturbine angeordneten Expansionsturbine ge-

- schickt wird. · Lnaohträ.g'!ohJ

509828/0198 '-31-

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" * ■. it*.
9.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als freien Sauerstoff enthaltendes Gas mit Luft, sauerstoffangereicherter luft mit mehr als 21 ΜοΙ,-% O_? oder im wesentlichen reinem Sauerstoff mit mehr als 95 Mol·-Ji O₂ gearbeitet wird.
10.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff mit
a) einem flüssigen Kohlenwasserstoff wie verflüssigtes Erdgas, Erdöldestillate und -rückstände, Gasolin, Naphtha, Kerosin, Rohöl, Asphalt, Gasöl, Rückstandsöl, Teersandöl, Schieferöl, Kohleöl, aromatische Kohlenwasserstoffe, z. B. Toluol, Benzol, Xylolfraktionen, Kohleteer, Kreislauf gas^^aus kataly-. tischen Wirbelschichtverfahren, Furfurolextrakte von Kokereigasöl oder Mischungen derselben, nachträglich! j

b) einem gasförmigen Kohlenwasserstoff,

c) oxidiertem, organischem, kohlenwasserstoffhaltigen Material wie Kohlehydrate, zellulosische Materialien, Aldehyde, organische Säuren, Alkohole, Ketone, oxidiertes Heizöl, Abwässer und Nebenprodukte aus chemischen Verfahren, die oxidierte, kohlenwasserstoffhaltige, organische Materialien enthalten, oder Mischungen derselben,

oder . '

d) einer pumpbaren Aufschlämmung fester, kohlenstoffhaltiger Brennstoffe wie,

Kohle, Ruß, Petrolkoks oder konzentrierter Abwasserschlamm in einem verdampften Träger, wie z. B. Wasser oder flüssiger Kohlenwasserbrennstoff, oder Mischungen derselben,
gearbeitet wird.

509828/0198 ~³²~
11.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der kohlenwasserstoffhaltige Brennstoff auf etwa 427⁰C aber unterhalb seiner Cracktemperatur vorgewärmt wird vor Eingabe desselben in den Gasgenerator.
12.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Generatorausstrom durch indirekten Wärmetausch mit Wasser unter Dampfbildung abgekühlt wird.
13.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des in der Luftzerlegungsanlage erzeugten Stickstoffs in die Gasreinigungszone eingegeben wird.
14.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß .

a) COp-reicher Gasstrom aus der Gasreinigungszone mit dem Generatorausstrom vermischt und die Mischung einer nichtkatalytisehen, umgekehrten, thermischen Wassergasumwandlungsreaktion bei mindestens 816⁰C unterworfen wird,

b) der Ausstrom der Wassergasumwandlungszone durch indirekten Wärmetausch mit Wasser unter Dampfbildung abgekühlt wird,

c)^der abgekühlte Ausstrom in eine Gassäuberungs- und -reinigungszone eingegeben wird, wobei getrennt ein

- 33 -

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sauberer Brenngasstrom, ein COp-reicher Gasstrom, eine Aufschlämmung von Kohlenstoffteilchen in einem flüssigen Träger und ein ELS-VcOS-reicher Gasstrom gewonnen werden,

in die Verbrennungskammer der Gasturbine der verbesserte saubere Brenngasstrom eingegeben und mit mindestens einem Teil des Oxidansstroms unter Bildung eines sauberen Rauchgasströmes mit etwa 760 bis 1 649⁰C verbrannt wird,
und

β) der saubere Rauchgasstrom durch die Expansionsturbine unter Bildung eines sauberen Abgasstromes geschickt und mindestens ein Teil des sauberen Abgasstromes mit Luft unter Bildung des Oxidansstromes vermischt wird.
15.) Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das saubere Brenngas durch indirekten Wärmetausch mit einem Teil des Abgases auf etwa 204 bis 427⁰Q erwärmt wird vor Eingabe des Brenngases in die Verbrennungskammer und sodann das Abgas über eine Expansionsturbine abgeblasen wird.
16.) Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidansstrom in einem von der Expansionsturbine angetriebenen Kompressor auf etwa 10 bi3 190 Atmosphären komprimiert und durch indirekten Wärmetausch mit einem Teil des Abgases auf etwa 204 bis 427°C erwärmt wird vor Eingabe mindestens eines Teils des Oxidans in die Verbrennungskammer . .
17.) Verfahren nach Anspruch 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des komprimierten und erwärmten Oxidans in die Reaktionszone des Gasgenerators als mindestens ein - Teil des Temperaturmoderators eingegeben wird.

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18.) Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 1?, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des COp-reichen Gasstroms aus der Gasreinigungszone in den Gasgenerator als min-■' destens ein Teil des Temperaturmoderators eingegeben wird. :
.19.) Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß Luft in einem von der Expansionsturbine angetriebenen Kompressor auf einen höheren als im Gasgenerator herrschenden Druck komprimiert und die komprimierte Luft als mindestens ein Teil des freien Sauerstoff enthaltenden Gases eingegeben wird.
20.) Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß Dampf in die Verbrennungskammer eingegeben wird.
21.) Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des gebildeten Dampfes durch indirekten Wärmetausch mit dem Abgas der Expansionsturbine überhitzt und mindestens ein Teil dieses überhitzten Dampfes in eine einen Stromgenerator oder einen Kompressor antreibende Dampfturbine gegeben wird. ·
22.) Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil dieses Dampfes in eine einen Turbokompressor antreibende Dampfturbine eingegeben, Luft im Turbokompressor komprimiert, die komprimierte Luft in eine Luftzerlegungsanlage eingegeben, mindestens ein Teil des in der Luftzerlegungsanlage erzeugten Op komprimiert und derselbe als mindestens ein Teil des freien Sauerstoff enthaltenden Gases in den Gasgenerator eingegeben wird.

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