DE3523487A1 - Verfahren und anlage zur erzeugung von elektrischer energie - Google Patents
Verfahren und anlage zur erzeugung von elektrischer energieInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer
Energie aus einem über die Vergasung von Kohlenstoff
und/oder Kohlenwasserstoffen enthaltenden Brennstoffen
unter Anwesenheit von sauerstoffenthaltenden Vergasungsmedien
und gegebenenfalls Schlackenbildnern in einer feuerflüssigen
Eisenschmelze gewonnenen Prozeßgas. Die Erfindung
betrifft weiterhin eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Ein derartiges Verfahren wird in der DE-OS 27 33 790 beschrieben.
Danach wird aus der im erzeugten Prozeßgas enthaltenen,
fühlbaren Wärme Dampf erzeugt, mit welchem ein Generator
betrieben wird. Das gereinigte, gewaschene und gekühlte
Prozeßgas steht neben einer Verwendung als Treib- bzw.
Trägergas am Eisenbadreaktor gegebenenfalls für Verbraucher
in einem Hüttenwerk oder dergleichen zur Verfügung.
Hierzu wird es in einem Gasometer gespeichert. Nachteilig
hierbei ist die anlagen- und betriebskostenintensive Zwischenlagerung
bzw. Bevorratung des erzeugten Prozeßgases,
das jedoch nicht selber, sondern nur indirekt über eine
Dampferzeugung aus der im Prozeßgas enthaltenen fühlbaren
Wärme über eine Dampfturbine mit angekoppeltem Generator für
die Erzeugung von elektrischer Energie verwendet wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, unter Beseitigung der geschilderten
Nachteile ein Verfahren und eine zur Durchführung des
Verfahrens erforderliche Anlage anzugeben, mit welchen auf
umweltfreundliche Art und Weise unter Einhaltung engster
Emissionsnormen elektrische Energie durch elektrochemische
Umwandlung von Brennstoffen, insbesondere auch von stark
schwefelhaltigen und heizwertarmen festen Brennstoffen wie
z.B. Braunkohle, erzeugt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Dadurch, daß zunächst die
Brennstoffe, die beispielsweise aus minderwertigen schwefelhaltigen
Kohlen bestehen können, in einer feuerflüssigen
Eisenschmelze zu einem nahezu schwefelfreien Prozeßgas mit
Schwefelgehalten (SO2, H2S) von kleiner 100 ppm umgewandelt
werden, tritt das Problem einer Schwefeldioxidemission
aus großen Abgasmengen überhaupt nicht mehr störend auf.
Ebenso wird eine Korrosion von korrodierbaren Bauteilen der
Anlage durch saure Kondensate erheblich vermindert, so daß
billigere Baumaterialien verwendet werden können. Die schwefelhaltige
Schlacke aus dem Eisenbadreaktor wird aufgearbeitet,
vom Schwefel befreit und zumindest teilweise in den
Eisenbadreaktor rückgeführt.
Durch die gesamte Umwandlung der im Prozeßgas enthaltenen
chemisch gespeicherten Energie direkt in elektrische Energie
- ohne den Umweg über eine Dampferzeugung - in einer aus
modernen Bauteilen bestehenden Hochtemperatur-Brennstoffenzellen-
Batterie und/oder einer Gasturbine mit angekoppeltem
Generator wird ein Stromerzeugungsverfahren aufgezeigt, das
unter Einhaltung engster Emissionsnormen die Erzeugung von
elektrischer Energie mit einem hohen Wirkungsgrad von ca.
49% ermöglicht. Eine Verstromung des Energieinhaltes des
Prozeßgases in einer Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie
ergibt eine erhebliche Wirkungsgraderhöhung gegenüber
dem Carnot-Prozeß. Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades
wird durch die Ausnutzung des Restenergieinhaltes
(chemische und innere Energie) der gasförmigen Reaktionsprodukte
in einem nachfolgenden kombinierten Gas/Dampf-Turbinen-
Prozeß erzielt.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Prozeßgas
nach Verlassen des Eisenbadreaktors entstaubt und abgekühlt
wird, wobei zumindest ein Teil der aus dem Prozeßgas
abgeführten Wärmeenergie über eine Dampferzeugung zur Verdichtung
des Prozeßgases verwendet wird. Für den Einsatz des
Prozeßgases in der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie
und für die Handhabung des Prozeßgases ist es erforderlich,
daß das Prozeßgas abgekühlt wird. Dieses erfolgt in einer
kombinierten Abhitzekessel-Entstaubungsanlage. Hierbei wird
das Prozeßgas von Staubpartikeln befreit und stark abgekühlt.
Mit der im Prozeßgas enthaltenen fühlbaren Wärme wird
auf vorteilhafte Weise eine Dampfturbinen-Verdichterstation
betrieben, in der das abgekühlte staubfreie Prozeßgas auf
den für den Einsatz in der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-
Batterie erforderlichen Druck von beispielsweise 35 bar verdichtet
wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
die Umwandlung des Prozeßgases in elektrische Energie zweistufe
erfolgt, wobei das Prozeßgas in der ersten Stufe unter
Zuführung eines Sauerstoffträgers in der Hochtemperatur-
Brennstoffzellen-Batterie unter Freisetzung elektrischer
Energie oxidiert wird und das dabei erzeugte, unter Überdruck
stehende heiße Abgas in einer zweiten Stufe einem Gas-
Dampfturbinen-Prozeß zugeführt und hierbei mittels eines angekoppelten
Generators ebenfalls in elektrische Energie umgewandelt
wird. Bei der Umwandlung des verdichteten Prozeßgases
mit Verbrennungsluft in der ersten Umwandlungsstufe,
nämlich der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie in
elektrische Energie wird ein ca. 1000°C heißes, unter einem
Druch von ca. 20 bar stehendes Abgas freigesetzt, das neben
dem CO2- und H2O-Anteilen noch Restbestandteile von CO
und H2 enthält. Dieses heiße Abgas wird in der zweiten Umwandlungsstufe,
dem kombinierten Gas-Dampfturbinen-Prozeß
ebenfalls ausgenutzt. Das Abgas wird in einer Gasturbine,
die mit einem Generator in Verbindung steht, nachverbrannt
und die im Abgas enthaltene fühlbare Wärme wird zur Dampferzeugung
verwendet und in einer ebenfalls mit dem Generator
gekoppelten Dampfturbine für die Erzeugung von elektrischer
Energie verwendet, so daß auf größstmögliche Weise die im
Prozeßgas enthaltene chemische und physikalische Energie
bzw. fühlbare Wärme in die Stromerzeugung einfließt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
die in die Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie eingeleiteten
Reaktionsgase, das gewonnene Prozeßgas und Verbrennungsluft,
mittels der bei der ersten Umwandlungsstufe
des Prozeßgases in der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie
entstehenden heißen Abluft vorgewärmt werden. Da die
der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie zugeführte Verbrennungsluft
aufgrund der Wärmetönung im Überschuß angeboten
werden muß und nicht vollständig für die Verbrennung des
Prozeßgases aufgebraucht wird, wird weiterhin ein ca. 1000°C
heißer, unter Druck von etwa 20 bar stehender Abluftstrom
freigesetzt, der auf vorteilhafte Weise für die Wiederaufwärmung
bzw. Vorwärmung auf etwa 700°C des abgekühlten verdichtenen
Prozeßgases und für die Vorwärmung auf etwa 700°C
der für die Umsetzung der in der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-
Batterie erforderlichen Verbrennungsluft Verwendung
findet. Die nach Abgabe eines Teils ihrer fühlbaren Wärme
heruntergekühlte Abluft wird über eine Turbine geführt und
von etwa 20 bar auf Atmosphärendruck entspannt. Die dabei
gewonnene Arbeit wird sehr vorteilhaft einem Verdichtungsprozeß
zugeführt, mittels welchem die für die Umsetzung des
Prozeßgases in der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie
erforderliche Verbrennungsluft auf einen Druck von etwa 20
bar verdichtet wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
die bei der ersten Umwandlungsstufe des Prozeßgases in der
Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie erzeugte unter
Überdruck stehende Abluft in einer mit einem Verdichter gekoppelten
Turbine entspannt wird, und mittels der freiwerdenden
Arbeit in dem angekoppelten Verdichter die für die
erste Umwandlungsstufe des Prozeßgases in der Hochtemperatur-
Brennstoffzellen-Batterie benötigte Verbrennungsluft
verdichtet wird. Bei der Umsetzung des Prozeßgases in der
Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie wird heiße unter
Druck stehende Verbrennungsluft im Überschuß benötigt. Die
aus der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie abströmende
sauerstoffverarmte Abluft beinhaltet gebundende physikalische
Energie, die auf vorteilhafte Weise ausgenutzt und dem
Gesamtprozeß dadurch erhalten bleibt, daß mit dieser heißen
Abluft über eine Turbine und gegebenenfalls einem Zusatzmotor
ein Verdichter betrieben wird, mit dem die der Hochtemperatur-
Brennstoffzellen-Batterie zugeführte benötigte Verbrennungsluft
auf den erforderlichen Druck von ca. 20 bar
verdichtet wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
die Erzeugung, Entstaubung, Abkühlung und/oder Verstromung
im Stromerzeugungsaggregat des Prozeßgases bei einem Druckniveau
von 1 bis 35 bar, vorzugsweise bei 20 bar durchgeführt
wird. Die Erzeugung des Prozeßgases in einem unter
Überdruck stehenden Eisenbadreaktor ermöglicht für gleiche
Reaktorgrößen sehr vorteilhaft höhere Umsetzungsmengen an
eingesetztem Brennstoff pro Zeiteinheit. Da auch in der
Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie ein Betriebsdruck
von beispielsweise 20 bar erforderlich ist, kann sehr vorteilhaft
die Verdichtung des Prozeßgases entfallen, wenn
auch die Entstaubung und Abkühlung des Prozeßgases bei einem
Druckniveau von 1 bis 35 bar, vorzugsweise bei 20 bar durchgeführt
wird.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird vorrichtungsmäßig
durch eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens
mit dem kennzeichnenden Merkmalen des Vorrichtungshauptanspruches
7 gelöst. Eine Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie
gestattet es, auf moderne Art und elektrochemische
Weise, aus einem brennbare Bestandteile wie CO und H2 enthaltenden
Prozeßgas direkt elektrische Energie zu erzeugen.
Die Funktionen von Hochtemperatur-Brennstoffzellen sind z.B.
in der Literaturstelle "Elektrochemische Energietechnik -
Entwicklungsstand und Aussichten" in einem Artikel von F.J.
Rohr über "Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit Zirkonoxid-
Festelektrolyten" auf den Seiten 264 und 279, 1981, Herausgeber:
Der Bundesminister für Forschung und Technologie, beschrieben
worden.
Auf konventionelle Weise kann das Prozeßgas jedoch auch mit
Verbrennungsluft in einer Gasturbine verbrannt werden, oder
über den Weg der Dampferzeugung durch die Verbrennungswärme
des Prozeßgases in elektrische Energie umgewandelt werden,
wobei die Gas- und/oder Dampfturbine einen Generator antreibt.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles, das
in der Zeichnung nur schematisch in Form eines Schaltbildes
dargestellt ist, näher erläutert, aus dem weitere erfindungswesentliche
Merkmale und Vorteile zu entnehmen sind.
In der Zeichnung ist mit 1 ein Eisenbadreaktor dargestellt,
der bezüglich des Prozeßgasstromes über Gasleitungen 2, 3,
4, 5 und 6 mit wenigstens einem Stromerzeugungsaggregat in
Verbindung steht, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel
aus einer Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie 7 besteht.
Die HT-Brennstoffzelle hat bei 1000°C, 20 bar und
100%-iger CO-Atmosphäre einen theoretisch reversiblen Wirkungsgrad
von 68%. Anstelle der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-
Batterie 7 kann ebenso auch eine mit einem Generator
gekoppelte Gasturbine und/oder Dampfturbine vorgesehen sein.
Sehr vorteilhaft als Stromerzeugungsaggregat ist eine Koppelung
der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie 7 mit
einer kombinierten Gas-Dampfturbine 8 über eine Gasleitung
9. Hierbei wird die im Prozeßgas enthaltene chemische und
physikalische Energie optimal ausgenutzt, wobei das aus der
Hochtempertur-Brennstoffzellen-Batterie 7 austretende heiße
Abgas ebenfalls zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet
wird. In Strömungsrichtung des Prozeßgases ist dem
Eisenbadreaktor 1, verbunden durch die Gasleitung 2 und die
Dampfleitung 10 direkt eine kombinierte Dampferzeuger-Entstaubungsanlage
11 nachgeschaltet. Die kombinierte Dampferzeuger-
Entstaubungsanlage 11 steht über die Gasleitungen 3,
4, 5 und 6 mit der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie
7 und/oder einer Gasturbine mit angekoppeltem Generator in
Verbindung, welche vorzugsweise als kombinierte Gas-Dampfturbine
8 ausgebildet ist.
Der Eisenbadreaktor 1 weist weiterhin eine Leitung 12 zur
Zuführung der Zuschläge, eine Leitung 13 zur Zuführung der
zu vergasenden Brennstoffe, eine Leitung 14 für die Zuführung
von Treibgas bzw. Transportgas für die Brennstoffe und
eine Leitung 15 für die Zuführung des Vergasungsmediums,
beispielsweise Sauerstoff auf. Zur Abführung von Schlacke
ist an den Eisenbadreaktor 1 weiterhin eine Leitung 16 angeschlossen.
Über die Leitung 2 ist dem Eisenbadreaktor 1 die Dampferzeuger-
Entstaubungsvorrichtung 11 nachgeordnet. Der hierin abgeschiedene
Staub wird über eine Leitung 17 abgeführt und
kann dem Brennstoff oder den Zuschlägen zugemischt werden
und über Leitung 13 oder Leitung 12 wieder in den Eisenbadreaktor
1 eingetragen werden. Weiterhin ist an die Dampferzeuger-
Entstaubungsanlage 11 eine Zuführungsleitung 18 mit
Pumpe 19 für Wasser zur Kühlung des Prozeßgases und zur
Dampferzeugung angeschlossen. Der erzeugte Dampf wird über
die Leitung 10 in den Eisenbadreaktor 1 eingeführt. An die
Dampferzeuger-Entstaubungsanlage 11 ist andererseits auch
in einem geschlossenen Kreislauf eine Leitung 20 für Wasser
bzw. Dampf angeschlossen. Mit einer Pumpe 21 wird über die
Leitung 20 Wasser zur Kühlung des Prozeßgases und zur Dampfbildung
eingepumpt. Die Leitung 20 wird über eine Turbine
22 und ein Kühlaggregat 23 wieder in die Dampferzeuger-Entstaubungsanlage
11 zurückgeführt. Die Turbine 22 ist mit
einem Verdichter 24 und gegebenenfalls einem Kleingenerator
25 gekoppelt. An die Turbine 22 ist eingangsseitig die Leitung
3 mit dem gekühltem Prozeßgas und ausgangsseitig die
Leitung 4 zur Weiterleitung des nunmehr verdichteten Prozeßgases
angeschlossen. Die Leitung 4 steht mit den Leitungen
5 und 14 in Verbindung, wobei ein Teilgasstrom des verdichteten
Prozeßgases als Treib- bzw. Transportgas für den zu
vergasenden Brennstoff und/oder die Zuschläge verwendet und
in den Eisenbadreaktor 1 eingedüst wird, während der Hauptstrom
des auf etwa 20 bar verdichteten Prozeßgases über
einen Wärmetauscher 26 und eine Leitung 6 in die Hochtemperatur-
Brennstoffzellen-Batterie 7 für das erfindungsgemäße
Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie eingeführt
wird.
Der Wärmetauscher 26 steht weiterhin über die Leitung 27 mit
der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie 7 und über eine
Leitung 28 mit einem weiteren Wärmetauscher 29 in Verbindung.
Der Wärmetauscher 29 steht über eine Leitung 30 ebenfalls
mit der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie 7 und
über eine Leitung 31 mit einem Verdichter 32 in Verbindung,
an den eingangsseitig eine Luftleitung 33 angeschlossen ist.
Der Verdichter 32 ist mit einer Turbine 34 und einem Hilfsmotor
35 gekoppelt. An die Turbine 34 ist eingangsseitig
eine mit dem Wärmetauscher 29 in Verbindung stehende Leitung
36 und ausgangsseitig eine Abluftleitung 37 angeschlossen.
Die über die Abgasleitung 9 mit der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-
Batterie 7 verbundene kombinierte Gas-Dampfturbinenanlage
8 weist eine Zuführungsleitung 38 für Verbrennungsluft
und eine Leitung 39 zur Abführung der Verbrennungsabgase
auf.
Das dem Eisenbadreaktor 1 über Leitung 15 zugeführte Vergasungsmittel,
im wesentlichen Sauerstoff, wird in einer Luftzerlegungsanlage
40 erzeugt, die über die Leitung 15 an den
Eisenbadreaktor 1 angeschlossen ist. Daneben weist die Luftzerlegungsanlage
40 eine Luftzuführungsleitung 41 und eine
Leitung 42 zur Abführung des abgetrennten Stickstoffs auf.
In dem dargestellten beispielhaften Schaltbild der Anlage
zur Erzeugung elektrischer Energie sind mit den gestrichelt
gezeichneten Pfeilen 43, 44, 45, 46 und 47 zu- bzw. abgeführte
elektrische Energieströme und mit den gestrichelt gezeichneten
Pfeilen 48, 49, 50, 51, 52 und 53 zu- bzw. abgeführte
Wärmeströme bezeichnet.
Die Funktion der Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie
wird anhand eines Ausführungsbeispiels für einen Eisenbadreaktor
1 mit einer 20 Tonnen/Eisenschmelze erläutert.
In die feuerflüssige Eisenschmelze mit einer Temperatur von
ca. 1400°C werden mittels eines Transportgasstromes von
12,4 mol/s aus der Leitung 14 die Brennstoffe, hier eine
Anthrazitkohle (C: 85%, H: 2,6%, O: 3,1%, N: 1,0%,
S: 0,8%; Hu: 30685 kJ/kg), zugeführt über die Leitung 13
in einem Mengenstrom von 10 t/h, und die Zuschläge, in diesem
Fall CaCO3, zugeführt in einem Mengenstrom von 2,4 t/h
über die Leitung 12, unterhalb des Badspiegels der Eisenschmelze
durch die Seitenwandung oder den Boden des Eisenbadreaktors
1 eingeblasen. Als Vergasungsmittel werden über
die Leitung 15 ca. 76,6 mol/s technischer Sauerstoff
(99% O2) und über die Leitung 10 ca, 17,2 mol/s Dampf
mit jeweils einem Druck von 20 bar und einer Temperatur von
150°C in den Eisenbadreaktor 1 eingedüst.
Im Eisenbadreaktor 1 wird bei einem Überdruck von etwa 3 bar
ein nahezu völlig schwefelfreies Prozeßgas mit Schwefelanteilen
kleiner 20 ppm (1 ppm = 10-6 = 10-4%) erzeugt.
Die in der eingesetzten Kohle - diese kann auch Braunkohle
oder minderwertige schwefelreiche Steinkohle sein - enthaltenen
Schwefelkomponenten werden vollständig in der Schlacke
abgebunden, die kontinuierlich oder periodisch in einer Menge
von ca. 2,2 t/h aus dem Eisenbadreaktor 1 abgezogen wird.
Das etwa 1400°C heiße Prozeßgas, bestehend aus 77,4 mol-%
CO und 21,8 mol-% H2 wird in einem Gasmengenstrom von
261,8 mol/s über die Leitung 2 in die Dampferzeuger-Entstaubungsanlage
11 geleitet und hier abgekühlt und entstaubt.
Der abgeschiedene Staub, etwa 0,5 t/h, wird über die Leitung
17 abgezogen und kann wahlweise den Zuschlägen oder dem
Brennstoff beigemischt und somit wieder in den Eisenbadreaktor
1 rückgeführt werden. Als Kühlmedium wird der Dampferzeuger-
Enstaubungsanlage 11 zum einen über die Leitung 18
mittels der Pumpe 19 eine Wassermenge von 17,2 mol/s zugeführt.
Diese Wassermenge wird in Dampf umgewandelt, der wie
bereits erwähnt mit einer Temperatur von etwa 150°C und
einem Druck von 20 bar über die Leitung 10 als Vergasungsmittel
in den Eisenbadreaktor 1 eingeführt wird.
Zur vollständigen Abkühlung des Prozeßgases wird über die
Leitung 20 ein weiteres Kühlmedium durch die Dampferzeuger-
Entstaubungsanlage 11 geleitet. Dieses Kühlmedium, z.B. Wasser,
wird durch die im Prozeßgas enthaltene Wärme in die
Dampfphase überführt, über die Turbine 22 geführt und dabei
entspannt, im weiteren Kreislauf der Leitung 20 in dem Kühlaggregat
23 abgekühlt, in die flüssige Phase rücküberführt
und mittels der Pumpe 21 wieder in die Dampferzeuger-Entstaubungsanlage
11 eingeleitet.
Das in der Dampferzeuger-Entstaubungsanlage 11 herabgekühlte
Prozeßgas wird in der Leitung 3 über den mittels der Turbine
22 angetriebenen Verdichter geführt und auf einen Druck von
ca. 20 bar verdichtet. Durch die Turbine 22 wird ebenfalls
der Generator 25 angetrieben, der gemäß Pfeil 44 eine elektrische
Leistung von ca. 0,4 MW abgibt. Von dem Verdichter
24 muß mittels Kühlung gemäß Pfeil 50 ein Wärmestrom von ca.
1,8 MW abgeführt werden.
Von dem auf einen Druck von ca. 20 bar verdichteten und nunmehr
150°C heißen Prozeßgas wird, wie bereits zuvor erwähnt,
ein Teilstrom von etwa 12,5 mol/s aus der Leitung 4
abgezweigt und über die Leitung 14 als Treib- bzw. Transportgas
für den Brennstoff in den Eisenbadreaktor 1 verwendet.
Das verdichtete Prozeßgas wird über die Leitungen 4 und 5
in einem Mengenstrom von 249,4 mol/s über den Wärmetauscher
26 geführt, in dem es auf eine Temperatur von ca. 700°C
aufgeheizt wird, und durch die Leitung 6 in die Hochtemperatur-
Brennstoffzellen-Batterie 7 eingespeist wird.
Die Verbrennung des Prozeßgases und Umsetzung der kalorischen
Energie in elektrische Energie in der Hochtemperatur-
Brennstoffzellen-Batterie 7 erfolgt bei einem Druck von
20 bar und einer Temperatur von ca. 1000°C. Dafür ist ein
ausreichendes Verbrennungsluftangebot erforderlich. Diese
Verbrennungsluft wird von dem Verdichter 32 über die Leitung
33 in einer Menge von 1962 mol/s angezogen und auf 20 bar
verdichtet. Dabei steigt die Temperatur von Raumtemperatur
auf etwa 150°C an. Eine weitere Vorwärmung der Verbrennungsluft
auf eine Temperatur von 700°C erfolgt auf vorteilhafte
Weise in dem Wärmetauscher 29. Über die Leitung
30 wird die vorgewärmte Verbrennungsluft in die Hochtemperatur-
Brennstoffzellen-Batterie 7 eingeleitet.
Durch die Umsetzung des Prozeßgases wird in der Hochtemperatur-
Brennstoffzellen-Batterie 7 gemäß der der Erfindung
zugrundeliegenden Aufgabe, eine elektrische Energie von
39,3 MW frei, die über die Leitung bzw. den Pfeil 46 beliebigen
Verbrauchern bzw. einem Netz zugeführt wird. Aus der
Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie 7 wird die überschüssige
Verbrennungluft (16% O2, 84% N2) mit einem
Druck von 20 bar, einer Temperatur von 1000°C und in einem
Mengenstrom von 1851 mol/s über die Leitung 27 abgeleitet
und über den Wärmetauscher 26 geführt, in welchem auf vorteilhafte
Weise das zuströmende Prozeßgas durch die in der
Abluft gespeicherte Wärmeenergie auf ca. 700°C vorgewärmt
wird. Dabei wird die heiße Abluft von etwa 1000°C auf ca.
930°C herabgekühlt und über die Leitung 28 weiter in den
Wärmetauscher 29 geführt. Hierin wird die noch in der heißen
Abluft enthaltene Wärmeenergie zur Aufheizung der verdichteten
Verbrennungsluft verwendet, wonach die Abluft mit einer
Temperatur von etwa 365°C über die Leitung 36 in die Turbine
34 geführt wird und diese antreibt. Dabei entspannt
sich die Abluft auf Normaldruck und wird mit einer Temperatur
von ca. 44°C über die Leitung 37 in die Atmosphäre abgegeben.
Zur Unterstützung der Turbine 34 kann, um den Verdichter 32
anzutreiben, ein Hilfsmotor 35 erforderlich sein, dem gemäß
Pfeil 35 eine elektrische Energie von 3,3 MW zugeführt werden
muß. Bei der Umsetzung des Prozeßgases in der Hochtemperatur-
Brennstoffzellen-Batterie 7 wird weiterhin ein Abgas
mit einem Druck von 20 bar und einer Temperatur von 1000°C
freigesetzt und über die Leitung 9 der kombinierten Gas-
Dampfturbine 8 zugeführt. Dieses Abgas in einer Menge
249,4 mol/s enthält neben den Verbrennungsrückständen CO2
ca. 69,66% und H2O ca. 19,62% noch Anteile von den energieenthaltenden
Komponenten CO ca. 7,74% und H2 ca.
2,18%. Unter Zuführung von Luft in einem Mengenstrom von
58,9 mol/s über die Leitung 38 wird in der kombinierten Gas-
Dampfturbine 8 mittels eines nicht dargestellten angekoppelten
Generators durch Nachverbrennung des aus der Hochtemperatur-
Brennstoffzellen-Batterie 7 abgegebenen Gases und
nachfolgender Dampferzeugung mit Ausnutzung in einer Dampfturbine
ebenfalls elektrische Energie in einer Menge von ca.
8,2 MW erzeugt, die über den Pfeil 47 abgegeben wird. Über
die Leitung 39 wird aus der kombinierten Gas-Dampfturbine 8
ein Abgas (73, 77% CO2; 20,8% H2O; 5,5%N2) und gemäß
Pfeil 48 eine Verlustwärme von 9,6 MW abgeführt. Als
Vergasungsmittel für den Brennstoff im Eisenbadreaktor 1
wird neben Dampf auch Sauerstoff eingesetzt. Dieser erforderliche
Sauerstoff wird in einer Luftzerlegungsanlage 40
erzeugt. Hierzu wird in die Luftzerlegungsanlage 40 über die
Leitung 41 eine Luftmenge von 364,6 mol/s und gemäß Pfeil
43 eine elektrische Energie von 2,8 MW eingeführt. Nach der
Luftzerlegung wird über Leitung 15 das Vergasungsmittel
Sauerstoff in einer Menge von 76,6 mol/s aus der Luftzerlegungsanlage
40 mit einem Druck von 10 bar in den Eisenbadreaktor
1 eingespeist. Über Leitung 42 wird der abgespaltene
Stickstoff in einer Menge von 288 mol/s aus der Luftzerlegungsanlage
abgeführt und kann einer beliebigen Verwendung,
z.B. als Inertisierungsmittel, Kühlmedium oder Treibgas zugeführt
werden.
Claims (10)
1. Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus
einem über die Vergasung von Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoffen
enthaltenden Brennstoffen unter Anwesenheit von
sauerstoffenthaltenden Vergasungmedien und gegebenenfalls
Schlackenbildnern in einer feuerflüssigen Eisenschmelze gewonnenen
Prozeßgas, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas
einem Stromerzeugungsaggregat, insbesondere einer Hochtemperatur-
Brennstoffzellen-Batterie und/oder einer Gasturbine
mit angekoppeltem Generator, zugeführt wird, worin es
verbrannt und im wesentlichen in elektrische Energie und
schadstoffarmes Abgas umgewandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Prozeßgas nach Verlassen des Eisenbadreaktors entstaubt
und abgekühlt wird, wobei zumindest ein Teil der aus dem
Prozeßgas abgeführten Wärmeenergie über eine Dampferzeugung
zur Verdichtung des Prozeßgases verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Umwandlung des Prozeßgases in elektrische Energie
zweistufig erfolgt, wobei das Prozeßgas in der ersten
Stufe unter Zuführung eines Sauerstoffträgers in der Hochtemperatur-
Brennstoffzellen-Batterie unter Freisetzung elektrischer
Energie oxidiert wird und das dabei erzeugte, unter
Überdruck stehende heiße Abgas in einer zweiten Stufe einem
Gas-/Dampfturbinenprozeß zugeführt und hierbei mittels eines
angekoppelten Generators ebenfalls in elektrische Energie
umgewandelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die in die Hochtemperatur-Brennstoffzellen-
Batterie eingeleiteten Reaktionsgase, das gewonnene Prozeßgas
und Verbrennungsluft, mittels der bei der ersten Umwandlungsstufe
des Prozeßgases in der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-
Batterie entstehenden heißen Abluft vorgewärmt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die bei der ersten Umwandlungsstufe des
Prozeßgases in der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie
erzeugte unter Überdruck stehende Abluft in einer mit einem
Verdichter gekoppelten Turbine entspannt wird, und mittels
der freiwerdenden Arbeit in dem angekoppelten Verdichter die
für die erste Umwandlungsstufe des Prozeßgases in der Hochtemperatur-
Brennstoffzelle benötigte Verbrennungsluft verdichtet
wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung, Entstaubung, Abkühlung
und/oder Verstromung im Stromerzeugungsaggregat des
Prozeßgases bei einem Druckniveau von 1 bis 35 bar, vorzugsweise
bei 20 bar, durchgeführt wird.
7. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen
1 bis 6, gekennzeichnet durch einen gas- und druckdichten
Eisenbadreaktor (1), der über Gasleitungen (2, 3,
4, 5, 6) mit wenigstens einem Stromerzeugungsaggregat in
Verbindung steht, das insbesondere aus einer Hochtemperatur-
Brennstoffzellen-Batterie (7) und/oder einer mit einem Generator
gekoppelten Gasturbine (8) besteht.
8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Eisenbadreaktor (1) über Gasleitungen (2, 10) vorzugsweise
eine kombinierte Dampferzeuger-Entstaubungsanlage (11)
nachgeschaltet ist, die über Gasleitungen (3, 4, 5, 6) mit
der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie (7) und/oder
der Gasturbine (8) in Verbindung steht, wobei die mit einem
Generator gekoppelte Gasturbine (8) als kombinierte Gas-/
Dampfturbine ausgebildet ist.
9. Anlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie (7) eine
Abluftleitung (27) für heiße Abluft aufweist, über die zwei
Wärmetauscher (26, 29) und eine Turbinen-Verdichterstation
(34, 32) mit der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie
(7) in Verbindung stehen.
10. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7, 8
oder 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Hochtemperatur-Brennstoffzellen-
Batterie (7) eine Verbrennungsluftleitung (30)
aufweist, über die der Wärmetauscher (29) und die Turbinen-
Verdichterstation (34, 32) mit der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-
Batterie (7) in Verbindung stehen.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853523487 DE3523487A1 (de) | 1985-07-01 | 1985-07-01 | Verfahren und anlage zur erzeugung von elektrischer energie |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853523487 DE3523487A1 (de) | 1985-07-01 | 1985-07-01 | Verfahren und anlage zur erzeugung von elektrischer energie |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3523487A1 true DE3523487A1 (de) | 1987-01-08 |
Family
ID=6274672
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19853523487 Withdrawn DE3523487A1 (de) | 1985-07-01 | 1985-07-01 | Verfahren und anlage zur erzeugung von elektrischer energie |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3523487A1 (de) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 1985-07-01 DE DE19853523487 patent/DE3523487A1/de not_active Withdrawn
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