DE2724802A1 - COAL GASIFICATION WITH NUCLEAR ENERGY - Google Patents

Description

Kohlevergasung mit KernenergieGasification of coal with nuclear energy

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von Methan oder Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Stoffen mit einem nuklear beheizten Heliumkreislauf. Dabei wird ein erster Teil des Kohlenstoffs mit Wasserstoff in einem hydrierenden Vergaser zu Methan umgesetzt und ein zweiter Teil des Kohlenstoffs mit Wasserdampf in einem Wasserdampfvergaser zu Synthesegas umgesetzt; zumindest ein Teil des Methans wird mit Wasserdampf in einem Spaltofen zu Wasserdampf umgesetzt. Diese Anlagen liefern entweder Methan (CH.) oder Synthesegas als Gemisch aus H₂ und CO mit kleinen Anteilen von CO₂ The present invention relates to a plant for generating methane or synthesis gas from carbonaceous substances with a nuclear-heated helium circuit. A first part of the carbon is converted into methane with hydrogen in a hydrogenating gasifier and a second part of the carbon is converted into synthesis gas with steam in a steam gasifier; At least part of the methane is converted into water vapor with steam in a cracking furnace. These plants deliver either methane (CH.) Or synthesis gas as a mixture of H ₂ and CO with small amounts of CO ₂

und CH-.
4and CH-.
4th

In der Zeitschrift: "Chemie-Ingenieur-Technik" 1974 wird auf Seite y3b, insbesondere in Abbildung 1, sowie auf Seite 941, insbesondere in Abbildung 2 je ein Prozeßschema beschrieben zur Herstellung von Methan über die Wasserdampfvergasung von Kohle. Auf Seite 937 werden neue Verfahren einer hydrierenden Vergasung von Kohle zu Methan erwähnt. Beide Verfahren sind aber mit einem erheulichen Nachteil behaftet. Bei der hydrierenden Vergasung ist wegen der großen Verweilzeiten der Kohle und mit Rücksicht auf die begrenzten Abmessungen desIn the journal: "Chemie-Ingenieur-Technik" 1974 , on page y3b, in particular in Figure 1, and on page 941, in particular in Figure 2, a process scheme is described for the production of methane via the steam gasification of coal. On page 937 new processes of hydrogenating gasification of coal to methane are mentioned. Both methods, however, have a horrible disadvantage. In the hydrogenative gasification is because of the long residence times of the coal and in consideration of the limited dimensions of the

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Vergasers keine vollkommene Umsetzung der Kohle erreichbar. Der bei der hydrierenden Vergasung abfallende Restkoks enthält außer der Asche noch ca. 30 - 45 % des eingesetzten Kohlenstoffs. Bei der Wasserdampfvergasung dagegen kann man zwar den eingesetzten Kohlenstoff nahezu restlos vergasen. Da dieser Prozeß aber nur bei hohen Temperaturen abläuft (Steinkohle 790 °C, Braunkohle 630 - 660 C), ist nur der obere Temperaturbereich der im Reaktor freiwerdenden Wärme für die Vergasung auszunutzen. Die restliche Wärme kann bei einem reinen Wasserdampfvergaser-Prozeß im wesentlichen nur noch zur Dampferzeugung und damit zur Stromerzeugung benutzt werden, weil nur ein kleiner Teil dieses Dampfes im Prozeß verwendet werden kann.Vergasers cannot achieve a perfect conversion of the coal. The residual coke that falls off during hydrogenation gasification In addition to the ash, it also contains approx. 30 - 45% of the carbon used. In the case of steam gasification on the other hand, the carbon used can be gasified almost completely. Since this process only occurs with runs at high temperatures (hard coal 790 ° C, lignite 630 - 660 C), is only the upper temperature range to use the heat released in the reactor for gasification. The remaining heat can be with a pure Steam carburetor process essentially only used to generate steam and thus to generate electricity because only a small part of this steam can be used in the process.

In dem Bericht ORNL/TM-5242 (Oak Ridge National Laboratory, November 1976) wird auf Seite 82 eine Anlage dargestellt, in der mittels nuklearer Wärme Kohlenstoff in Methan umgesetzt wird, pie Kohle wird zunächst getrocknet, dann hydrierend vergast und der Restkoks in einem Wasserdampfvergaser zu Synthesegas umgewandelt. Ein Teil des produzierten Methans wird in einem Methanspaltofen (dort als Reformer bezeichnet) unter Zusatz von heißem Wasserdampf zu Synthesegas umgesetzt. Diese Schaltung hat aber noch folgende Nachteile: Der dort für den Wasserdampfvergaser vorgesehene Dampf hat eine Temperatur, die wesentlich unter der wirtschaftlichen Vergasungstemperatur liegt. Daher wird ein Teil der entnommenen Wärme im hohen Temperaturbereich nur zur Dampfaufheizung genutzt und geht der Vergasung verloren. Bei gleicher Kernreaktorleistung wird also hier weniger Kohle durchgesetzt und damit weniger Gas gewonnen.In the report ORNL / TM-5242 (Oak Ridge National Laboratory, November 1976) on page 82 a system is shown in which carbon is converted into methane by means of nuclear heat is, pie coal is first dried, then gasified with hydrogenation and the remaining coke in a steam gasifier converted to synthesis gas. Part of the methane produced is stored in a methane cracking furnace (there referred to as reformer) converted into synthesis gas with the addition of hot steam. But this circuit has the following disadvantages: The steam provided there for the steam gasifier has a temperature that is significantly below the economic gasification temperature. Therefore, a part of the extracted heat becomes high Temperature range is only used for steam heating and is lost to gasification. With the same nuclear reactor power so less coal is being put through here and thus less gas is being extracted.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Anlage zur Erzeugung von Methan oder Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Stoffen mit einem nuklear beheizten Heliumkreislauf, die die beschriebenen Nachteile weitgehend vermeidet. The object of the present invention is a plant for generating methane or synthesis gas from carbonaceous Substances with a nuclear-heated helium cycle, which largely avoids the disadvantages described.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anlage nach dem 1. Anspruch vorgeschlagen, die vorgeschlagene Anordnung eines ProzeßdampfÜberhitzers im Heliumkreis zwischen Wasserdampfvergaser und Spaltofen verbessert sehr wesentlich den Wirkungsgrad des Wasserdampfvergasers, weil dieser auf diese Weise einen Prozeßdampf erhält, der schon die für die Vergasung notwendige Temperatur aufweist. Dadurch steht die in dem Vergaser übertragene Wärme nahezu voll der Vergasungsreaktion zur Verfügung, und es wird, bezogen auf die Kernreaktorleistung, eine größtmögliche Gasproduktion erreicht. Der zusätzliche Aufwand für den vorgeschlagenen ProzeßdampfÜberhitzer ist wesentlich geringer, weil die Prozeßdampfmenge, verglichen mit den anderen durchgesetzten Stoffmengen, wesentlich geringer ist. Die durch den ProzeßdampfÜberhitzer verursachte Herabsetzung der Eintrittstemperatur des Heliumkreises in den Spaltofen ist nur scheinbar, weil die vom Helium an den Prozeßdampf abgegebene Wärmemenge ohne den ProzeßdampfÜberhitzer im Wasserdampfvergaser aufgebracht werden müßte. Da bei der hier vorgesehenen Kombination aus hydrierender Vergasung und Wasserdampfvergasung die im Spaltofen durchgesetzten Methanmengen verglichen mit den anderen Stoffströmen gering sind, ist durch die vorgeschlagene Schaltung auch im Spaltofen kein erheblicher zusätzlicher Aufwand zu erwarten.To solve this problem, a system according to claim 1 is proposed, the proposed arrangement a process steam superheater in the helium circuit between the steam gasifier and the cracking furnace improves significantly the efficiency of the steam gasifier, because this receives a process steam in this way, the already has the temperature necessary for gasification. As a result, the transferred in the carburetor is Heat is almost fully available for the gasification reaction and, based on the power of the nuclear reactor, a greatest possible gas production achieved. The additional effort for the proposed process steam superheater is significantly lower because the amount of process steam compared to the other amounts of material passed through, is much lower. The lowering of the inlet temperature caused by the process steam superheater of the helium cycle in the cracking furnace is only apparent because the amount of heat given off by the helium to the process steam without the process steam superheater in the steam carburetor would have to be applied. Since the combination of hydrogenating gasification and Steam gasification: the methane quantities passed through the cracking furnace compared to the other material flows are low, the proposed circuit does not entail any significant additional effort even in the cracking furnace expect.

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Der im 2. Anspruch vorgeschlagene Dampferzeuger kann bei den gegebenen Heliumtemperaturen überhitzten Dampf von ca. 180 bar erzeugen. Da dieser hohe Druck für die spätere Verwendung als Prozeßdampf nicht notwendig ist, ist es an dieser Stelle wärmewirtschaftlich von Vorteil, diesen Dampf zunächst in einer Turbine zu entspannen und anschließend zumindest teilweise wieder zu überhitzen. Sowohl im Wasserdampfvergaser als auch im Methanspaltofen wird Prozeßdampf von hoher Temperatur, aber geringerem Druck, beispielsweise 40 bar, benötigt. Aus wärmewirtschaftlichen Gründen ist es daher sinnwoll, diesen Prozeßdampf so weit wie möglich zu überhitzen, bevor er in diese Apparate eintritt.The proposed in the 2nd claim steam generator can at the given helium temperatures superheated steam from generate approx. 180 bar. Since this high pressure is not necessary for later use as process steam, At this point it is economically advantageous to first relax this steam in a turbine and then at least partially overheat again. Both in the steam gasifier and in the methane cracking furnace process steam of high temperature but lower pressure, for example 40 bar, is required. From thermal economic Therefore, it makes sense to superheat this process steam as much as possible before he enters these apparatuses.

Die Figur zeigt in sehr schematischer Darstellung eine Schaltung, mit der im wesentlichen Methan produziert werden kann. Mit geringen, für die vorliegende Erfindung unwesentlichen Änderungen läßt sich mit dieser Schaltung aber auch Synthesegas produzieren, das im wesentlichen aus Wasserstoff und Kohlenmonoxyd besteht.The figure shows a very schematic representation Circuit with which essentially methane can be produced. With low, for the present invention Insignificant changes can also be produced with this circuit, however, synthesis gas, which is essentially consists of hydrogen and carbon monoxide.

Der Kernreaktor 1 gibt mit einem Heliumprimärkreis 2 und über einen Wärmetauscher 3 Wärme an einen Heliumsekundärkreis 4 ab, in dem nacheinander ein Wasserdampfvergaser 5, ein Prozeßdampfüberhitzer 6, ein Methanspaltofen 7, ein ProzeßdampfvorÜberhitzer 8, ein Dampferzeuger und Heliumverdichter 10 angeordnet sind. Die Rohkohle wird zunächst unter Zugabe von Wasserstoff zu einem großen Teil in einem hydrierenden Vergaser 11 umgesetzt zu einem Gemisch aus Methan mit geringen Mengen von Wasserstoff, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd. Anschließend wird der aus dem hydrierenden Vergaser 11 austretende Koks unter Zugabe von überhitztem Wasserdampf in dem Wasserdampfvergaser 5 nahezu restlos vergast, wobei ein GemischThe nuclear reactor 1 is with a helium primary circuit 2 and via a heat exchanger 3 heat to a helium secondary circuit 4 in which, one after the other, a steam gasifier 5, a process steam superheater 6, a methane cracking furnace 7, a process steam pre-superheater 8, a steam generator and helium compressor 10 are arranged. The raw coal first becomes large with the addition of hydrogen Part in a hydrogenating gasifier 11 converted to a mixture of methane with small amounts of hydrogen, Carbon monoxide and carbon dioxide. Subsequently, the coke emerging from the hydrogenating gasifier 11 becomes with the addition of superheated steam in the steam gasifier 5 almost completely gasified, with a mixture

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aus Kohlendioxyd und Wasserstoff und geringeren Mengen von Kohlenmonoxyd und Methan entsteht. Nach den bisherigen Berechnungen kann man im hydrierenden Vergaser 11 bei Ruhr-Steinkohle bis zu 60 %, bei deutscher Braunkohle auch 65 bis 7O % der eingesetzten Rohkohle vergasen. Bei 60 %iyer Vergasung der Rohkohle werden im Spaltofen 7 etwa 8 % der erzeugten Methanmenge zu Wasserstoff yespalten. Die hier beschriebene Schaltung stabilisiert nahezu automatisch den Gesamtprozeß bei unterschiedlichen Kohlesorten. Wenn im hydrierenden Vergaser 11 mehr vergast wird, fällt dort weniger Koks an. Dementsprechend wird im Wasserdampfvergaser 5 weniger Wasserstoff erzeugt und dementsprechend mit dem Heliumsekundärkreis 4 mehr Wärme an den Spaltofen 7 abgegeben, der dementsprechend mehr Methan spalten kann und dadurch die beim Austritt aus dem Wasserdampfvergaser 5 fehlende Wasserdampfmenge ergänzt. Das aus dem hydrierenden Vergaser 11 austretende Produkt wird bei 12 regenerativ abgekühlt, bei 13 weiter abgekühlt, bei 14 gereinigt, bei 15 von Kohlendioxyd und Schwefelwasserstoff befreit und einer Tieftemperaturyaszerleyuny 16 zugeführt. Das aus dem Wasserdampfvergaser 5 austretende Produkt wird bei 17 abgekühlt und zusammen mit dem aus dem Spaltofen 7 austretenden Produkt einer Konvertierung 18 zugeführt, in der das vorhandene Kohlenmonoxyd mit Wasser in Kohlendioxyd und Wasserstoff überführt wird. Danach wird das Produkt bei 19 abgekühlt, bei 2O von Kohlendioxyd und Schwefelwasserstoff befreit, bei 21 verdichtet, bei 12 regenerativ vorgewärmt und dem hydrierenden Vergaser 11 zugeführt. Die oben bereits erwähnte Tieftemperaturgaszerlegung 16 liefert als erwünschtes Endprodukt Methan, außerdem Wasserstoff, der über einen Verdichter 22 und die oben bereits erwähnte regenerative Vorwärmung 12 wieder dem hydrierenden Veryaser zugeführt wird. Das ebenfalls bei 16 abgetrenntefrom carbon dioxide and hydrogen and smaller amounts of carbon monoxide and methane. According to previous calculations, up to 60% of the raw coal used can be gasified in the hydrogenating gasifier 11 for Ruhr hard coal, and 65 to 70% for German lignite. With 60% gasification of the raw coal, about 8 % of the methane produced is split into hydrogen in the cracking furnace 7. The circuit described here almost automatically stabilizes the entire process with different types of coal. If more is gasified in the hydrogenating gasifier 11, there is less coke. Accordingly, less hydrogen is generated in the steam gasifier 5 and, accordingly, more heat is given off to the cracking furnace 7 with the helium secondary circuit 4, which can accordingly split more methane and thereby supplements the amount of water vapor missing when exiting the steam gasifier 5. The product emerging from the hydrogenating gasifier 11 is regeneratively cooled at 12, further cooled at 13, purified at 14, freed of carbon dioxide and hydrogen sulfide at 15 and fed to a low-temperature gas generator 16. The product emerging from the steam gasifier 5 is cooled at 17 and fed together with the product emerging from the cracking furnace 7 to a conversion 18 in which the carbon monoxide present is converted with water into carbon dioxide and hydrogen. The product is then cooled at 19, freed of carbon dioxide and hydrogen sulfide at 20, compressed at 21, preheated regeneratively at 12 and fed to the hydrogenating gasifier 11. The above-mentioned low-temperature gas separation 16 delivers methane as the desired end product, as well as hydrogen, which is fed back to the hydrogenating Veryaser via a compressor 22 and the above-mentioned regenerative preheating 12. The one also separated at 16

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Kohlenmonoxyd wird bei 23 verdichtet und der erwähnten Konvertierung 18 zugeführt.Carbon monoxide is compressed at 23 and fed to the aforementioned conversion 18.

Der vom Heliumsekundärkreis 4 beheizte Dampferzeuger liefert Dampf für eine Turbine 24 zur Stromerzeugung, deren Anzapfdampf mit etwa 4O bar teilweise in den Spaltofen 7 und teilweise in den Prozeßdampfvorüberhitzer ö und von dort aus über den Prozeßdampfüberhitzer 6 in den Wasserdampfvergaser 5 geliefert wird. Die unter oder rechts neben den gezeichneten Leitungen verzeichneten Temperaturen in Grad Celsius geben ein Beispiel für den Normalbetrieb dieser Anlage.The steam generator heated by the helium secondary circuit 4 supplies steam for a turbine 24 to generate electricity, some of which is drawn off at around 40 bar into the cracking furnace 7 and partly into the process steam preheater ö and from there via the process steam superheater 6 into the Steam carburetor 5 is supplied. The under or Temperatures in degrees Celsius recorded to the right of the lines shown provide an example of the Normal operation of this system.

Die hier beschriebene Anlage würde mit einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor von 3000 MW und bei Verwendung einer Gasflammkohle mit 38 % flüchtigen Bestandteilen ca. 575 0OO Nm /h Methan produzieren. Durch die Hintereinanderschaltung von Wasserdampfvergaser 5, Prozeßdampfüberhitzer 6 und Spaltofen 7 wird die für den Vergasungsprozeß nutzbare Kernenergie gegenüber den bekannten Verfahren vergrößert und damit die Gasproduktion bei gleicher Reaktorleistung erhöht. Bei der erwähnten Gasflammkohle wird mit einem Durchsatz von 985 t/h gerechnet. Das Anfahren der vorgeschlagenen Anlage erscheint gegenüber den bekannten Anlagen besonders einfach, da der Wasserstoff zur Inbetriebnahme des hydrierenden Vergasers 11 in dem Spaltofen 7 aus dem im Gasnetz vorhandenen Methan erzeugt werden kann.The plant described here would be with a gas-cooled high-temperature reactor of 3000 MW and when using a Gas flame coal with 38% volatile components produce approx. 575 0OO Nm / h methane. By connecting them in series of the steam gasifier 5, the process steam superheater 6 and the cracking furnace 7, the nuclear energy that can be used for the gasification process is compared with the known processes increased and thus the gas production increased with the same reactor output. In the case of the gas flame coal mentioned a throughput of 985 t / h is expected. The approach to the proposed system appears opposite the known systems are particularly simple, since the hydrogen to start up the hydrogenating gasifier 11 can be generated in the cracking furnace 7 from the methane present in the gas network.

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Claims (2)

24.376.4 Go/Fe 31.05.1977 GHT Gesellschaft tür Hochtemperaturreaktor-Technik mbH 5060 Bergisch Gladbach 1 > ^J Kohlevergasung mit Kernenergie24.376.4 Go / Fe 31.05.1977 GHT Society for high temperature reactor technology mbH 5060 Bergisch Gladbach 1> ^ J Coal gasification with nuclear energy 1.' Anlage zur Erzeugung von Methan oder Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Stoffen mit einem nuklear beheizten Heliumkreislauf; dabei wird ein erster Teil des Kohlenstoffs mit Wasserstoff in einem hydrierenden Vergaser zu Methan umgesetzt und ein zweiter Teil des Kohlenstoffs mit Wasserdampf in einem Wasserdampfvergaser zu Synthesegas umgesetzt; zumindest ein Teil des Methans wird mit Wasserdampf in einem Spaltofen zu Wasserstoff umgesetzt. Diese Anlage hat folgende Merkmale:1.' Plant for the production of methane or synthesis gas from carbonaceous substances with a nuclear heated helium circuit; there will be a first Part of the carbon is reacted with hydrogen in a hydrogenating gasifier to methane and a the second part of the carbon is converted into synthesis gas with steam in a steam gasifier; At least part of the methane is converted into hydrogen with steam in a cracking furnace. These The system has the following features: a) In dem Heliumkreislauf ist zwischen dem Wasserdampfvergaser und dem Spaltofen ein Prozeßdampfüberhitzer angeordnet,a) In the helium circuit is between the steam carburetor and a process steam superheater arranged in the cracking furnace, b) der Dampf aus diesem Prozeßdampfüberhitzer wird in den Wasserdampfvergaser eingespeist.b) the steam from this process steam superheater is fed into the steam gasifier. 2. Anlage nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen:2. System according to claim 1 with the following features: a) Im Heliumkreislauf ist nach dem Spaltofen ein ProzeßdampfvorÜberhitzer und danach ein Dampferzeuger angeordnet.a) In the helium cycle, after the cracking furnace, there is a process steam preheater and then a steam generator arranged. 809849/0357 - 2 -809849/0357 - 2 - b) Der Dampf aus diesem Dampferzeuqer truibL eine Turbine an.b) The steam from this steam generator truibL a turbine on. c) Der Anzaptdanipf aus dieser Dampfturbine wird als Prozeßdampf direkt in den Spuitoten und über die ProzeiSdampf überhL tze ι in den Wasserdainpfvergaser yeleitet.c) The Anzaptdanipf from this steam turbine is used as process steam directly in the Spuitots and over the process steam overheat ι in the Water steam carburetor. 809849/0357809849/0357