DE4230819A1 - Verfahren und vorrichtung zum vergasen von kohle - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum vergasen von kohleInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vergasen
von Kohle zur Bildung eines an Wasserstoff reichen brenn
baren Gases aus Kohle, eine Vorrichtung zum Vergasen von
Kohle und eine Anlage zur mit Kohlevergasung kombinierten
Stromerzeugung.
Auf der Basis einer neueren Annahme, daß CO2 ein Grund für
einen irdischen Treibhauseffekt ist, wurden verschiedene
Systeme zur Verwendung fossiler Brennstoffe vorgeschlagen.
Ein Verfahren zur Ausnutzung von Kohle ohne irgendeine Ab
gabe von CO2 an die Atmosphäre beim Verbrennen wurde von
Meyer Steinberg als ein System vorgeschlagen, wie in Inter
national Conference on Coal Science (IEA), 1059-1062
(1989) veröffentlicht wurde.
Das Verfahren sieht eine Vergasung von Kohle in einer Was
serstoffatmosphäre bei einer hohen Temperatur und einem
hohen Druck, dadurch Bildung von CH4; die Zersetzung des
CH4 in C und ein H2-Gas in einem Reaktionsbehälter unter
Verwendung eines Katalysators bei einer hohen Temperatur und
einem hohen Druck, wodurch einerseits ein H2-Gas erhalten
wird und man andererseits C als Ruß abführt, und die Ver
wendung lediglich des H2-Gases als Brennstoff vor.
Dieser vorstehend erwähnte Stand der Technik sieht ein Zwei
stufensystem der zunächst erfolgenden Bildung von CH4 und
der thermischen Zersetzung des CH4 in einem Reaktionsbe
hälter unter Verwendung eines Katalysators bei einer hohen
Temperatur und einem hohen Druck vor, wobei ein H2-Gas nicht
direkt aus Kohle erhalten wird. Daher werden zwei Reaktions
behälter, d. h. eine Vergasungseinheit zur Bildung von
CH4 aus Kohle und eine Einheit zur Zersetzung von CH4 in C
und ein H2-Gas benötigt, und der durch die Zersetzung von
CH4 gebildete Ruß ist in einer feinteiligen Form, so daß
eine Technik zum Abtrennen und Wiedergewinnen des Rußes
benötigt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Vergasen von Kohle, womit man ein H2-
reiches Gas mit weniger CO2-Abgabe direkt aus Kohle bilden
kann, und auch ein Verfahren und eine Anlage zur Stromer
zeugung unter Ausnutzung des Vergasungsverfahrens zu ent
wickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren gemäß
Patentanspruch 1, die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 11,
das Verwendungsverfahren gemäß dem Patentanspruch 15 und die
Anlagen gemäß den Patentansprüchen 16 und 17 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un
teransprüchen 2 bis 10, 12 bis 14 und 18 beansprucht.
Wenn Kohle auf die Vergasungstemperatur in einem sauerstoff
gasfreien Zustand erhitzt wird, kann ein an Wasserstoff sehr
reiches Gas mit weniger CO und CO2 erhalten werden.
Ein Sauerstoffgas kann entsprechend Beschränkungswerten von
CO und CO2 in dem durch die Kohlevergasung gebildeten Gas
vorhanden sein. In diesem Fall ist es erwünscht, daß das
Sauerstoffgas in einem solchen Bereich vorliegt, daß das
Verhältnis zugeführten Sauerstoffs zur zugeführten Kohle
gewichtsmäßig nicht mehr als 0,3 ist. Es ist zweckmäßig,
Luft oder Sauerstoffgas zuzuführen.
Um die Menge gebildeten Sauerstoffs zu steigern, ist es
möglich, die Kohle in einem feuchtigkeitsabsorbierten
Zustand auf die Vergasungstemperatur zu erhitzen.
Die Vergasungstemperatur liegt zweckmäßig in einem Bereich
von 1400 bis 1700°C. Eine noch höhere Vergasungstemperatur
beeinträchtigt die Werkstoffe der Erhitzungseinheit.
Sobald die Kohle in der auf die Vergasungstemperatur er
hitzten Atmosphäre 0,1 bis 1 Sekunde gehalten worden ist,
führt man zweckmäßig das Vergasungsprodukt aus der Heiz
atmosphäre ab und kühlt das Vergasungsprodukt auf eine
niedrigere Temperatur als die Vergasungstemperatur ab.
Eine Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Vergasung von Kohle weist eine Heizeinrichtung zur Bildung
einer auf eine Kohlevergasungstemperatur erhitzten Heiz
atmosphäre und eine Kohlefördereinrichtung zum Fördern der
Kohle zur Heizatmosphäre und zum Aussetzen der Kohle zur
Heizatmosphäre für 0,1 bis 1 Sekunde auf.
Eine andere Ausführungsart weist eine Kohlefördereinrichtung
zum Fördern von Kohleteilchen mit einem Temperaturanstieg
von 103 bis 104°C/s und eine Heizeinrichtung zum Erhitzen
der Kohleteilchen auf eine Vergasungstemperatur für 0,1 bis
1 Sekunde auf dem Weg der Förderung auf.
Die Vorrichtung kann ein Förderrohr mit zwei offenen Enden
zum Fördern der Kohleteilchen von einem Ende zum anderen,
eine Kohlefördereinrichtung zum Fördern der Kohleteilchen
zum Förderrohr mit einem Temperaturanstieg von 103 bis
104°C/s und eine äußere Heizeinrichtung zum Erhitzen der
durch das Förderrohr geförderten Kohleteilchen auf eine
Vergasungstemperatur von außerhalb des Förderrohres für 0,1
bis 1 Sekunde aufweisen.
Vorzugsweise fördert man wenigstens einen Teil des durch
Erhitzen der Kohle auf die Vergasungstemperatur gebildeten
wasserstoffreichen Gases als Brennstoff zur Kohleerhitzungs
einrichtung der Vorrichtung zur Kohlevergasung, wodurch ein
Vergasungssystem mit weniger CO2-Abgabe erhalten werden
kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kohlevergasung in Kombi
nation mit einer Stromerzeugung sieht vor, Kohle sehr rasch
auf eine Vergasungstemperatur für eine kurze Zeit zu er
hitzen, wodurch ein Sauerstoff als Hauptbestandteil enthal
tendes brennbares Gas gebildet wird, das brennbare Gas als
Brennstoff für die Kohlevergasung zu verbrennen und dann das
Verbrennungsgas einer mit einem elektrischen Generator ge
koppelten Gasturbine zuzuführen, wodurch elektrischer Strom
erzeugt wird.
Zwei Ausführungsarten der erfindungsgemäßen Anlage zur
Durchführung dieses Kohlevergasungsverfahrens in Kombination
mit der Stromerzeugung sind in den Patentansprüchen 16 und
17 gekennzeichnet.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß aus Kohle se
lektiv nur H-Atome freigemacht werden können, wenn man be
stimmte Bedingungen, wie z. B. die Erhitzungstemperatur, die
Erhitzungsgeschwindigkeit und die Erhitzungsdauer von Kohle
teilchen bei der Pyrolyse von feuchtigkeitsfreier Kohle,
Pyrolyse von feuchtigkeitshaltiger Kohle und Vergasung mit
Sauerstoff auswählt.
Die Pyrolyse von Kohle erzeugt Gase, wie z. B. H2, CO, CO2,
CH4, C2H4, C3H8 usw., und Öle, wobei die Ausbeuten der
Produkte von der Erhitzungstemperatur und der Erhitzungs
dauer abhängen. Wie bekannt ist, sind die Ausbeuten von Ölen
und C2- sowie C3-Kohlenwasserstoffgasen umso niedriger und
die Ausbeute an H2 umso höher, je höher die Erhitzungstempe
ratur ist. Je länger andererseits die Erhitzungsdauer ist,
umso größer ist die Menge der von der Kohle abgegebenen
Gase, und die sekundäre Zersetzung der so gebildeten Gase
und Öle wird unter Steigerung der Menge solcher Bestandteile
wie CO, H2 und CH4 gefördert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden H-Atome in Kohle
selektiv in ein H2-Gas umgewandelt, indem man Kohle auf eine
Vergasungstemperatur, vorzugsweise 1400°C oder höher bei
einem Temperaturanstieg von 103 bis 104°C/s, erhitzt, die
Kohle bei dieser Temperatur 0,1 bis 1 Sekunde hält und
danach den Kohlerückstand und das Gas abkühlt.
Es scheint, daß dieser Vorgang auf Unterschiede in den Ab
gabegeschwindigkeiten der einzelnen Atomarten bei der primä
ren Zersetzung von Kohle, d. h. einer Pyrolyse bei einer
hohen Temperatur für eine kurze Zeit zurückzuführen ist.
Unter C-, H- und O-Atomarten der Kohle wird die H-Atomart
als H2-Moleküle zuerst abgegeben, und dann werden Kohlen
wasserstoffe (CH4, C2H4, C3H8 usw.), CO, CO2 usw. abgegeben.
Daher kann man eine Abgabe von CO und CO2, die aufgrund
ihrer Eigenschaft langsam abgegeben werden, verhindern, in
dem man die Temperatur höher macht, wodurch die Ausbeute an
H2-Gas gesteigert wird, und die Pyrolysedauer kürzer macht.
Wenn feuchtigkeitshaltige Kohle bei einer Temperatur von
1400°C oder höher pyrolysiert wird, werden Dampf und flüch
tige Stoffe abgegeben, und der Dampf reagiert mit C der
Kohle unter Bildung eines H2-Gases und von CO. Diese Reak
tion hängt von der Erhitzungstemperatur und der Erhitzungs
dauer ab. Bei einer höheren Erhitzungstemperatur geht die in
den Kohleteilchen enthaltene Feuchtigkeit rasch in Dampf
über, der mit C der Kohle reagiert, wenn der Dampf aus dem
Inneren der Kohleteilchen abgegeben wird. Daher kann fast
die gesamte in den Kohleteilchen enthaltene Feuchtigkeit mit
C sogar bei einer so kurzen Pyrolysedauer wie unter 1 Se
kunde reagieren. Die Menge des so gebildeten H2-Gases ist
also größer als der Gehalt an H-Atomen in der Kohle. Wenn
Kohle andererseits in einem Zustand mit Sauerstoffzufuhr
erhitzt wird, verringert sich die Ausbeute an H2-Gas,
während die CO- und CO2-Ausbeuten steigen. Wenn das Ge
wichtsverhältnis zugeführten Sauerstoffs zu zugeführter
Kohle (das im weiteren als "Sauerstoffverhältnis" bezeichnet
wird) nicht mehr als 0,3 ist, kann wenigstens 90% der Aus
beute an H2-Gas bei einem Sauerstoffverhältnis von Null
(Pyrolyse) erhalten werden, und ein Anstieg der CO2-Ausbeute
ist sehr gering, während die an CO merklich anwächst. So
liegt der Punkt der vorliegenden Erfindung im Vergasen von
Kohle bei einer Temperatur von 1400°C oder höher, einem
Temperaturanstieg von 103 bis 104°C/s und einem Sauerstoff
verhältnis von 0 bis 0,3 für eine Zeitdauer von 0,1 bis 1
Sekunde und anschließenden Abkühlen der Vergasungsprodukte
als Mittel zum Umwandeln von nahezu 100% der H-Atome in
Kohle in ein H2-Gas und zur Ermöglichung, daß fast die
Gesamtmenge der in der Kohle enthaltenen Feuchtigkeit mit C
reagiert.
Gründe für die Auswahl eines Temperaturanstiegs von 103 bis
104°C/s und einer Erhitzungstemperatur von 1400°C oder höher
sind, die sekundäre Zersetzung flüchtiger Stoffe zu unter
drücken, die Ausbeute an H2-Gas für eine kurze Zeit zu stei
gern und zu ermöglichen, daß fast die gesamte Menge der in
der Kohle enthaltenen Feuchtigkeit mit C reagiert, wie oben
erwähnt. Grund zum Einstellen des Sauerstoffverhältnisses in
den oben erwähnten Bereich ist, die Ausbeuten an H2-Gas und
CO und CO2 entsprechend einer Beschränkung der an die Atmo
sphäre oder für Endzwecke abgegebenen CO2-Menge zu ändern.
Wenn die CO2-Abgabebeschränkung gelockert ist, kann Sauer
stoff zusätzlich zugeführt werden. Wenn ein Gas höherer H2-
Gaskonzentration, das im wesentlichen kein CO2 enthält, be
nötigt wird, ist ein Sauerstoffverhältnis von Null vorzu
ziehen. Wenn es erwünscht ist, viel CO bei einer gewissen
Verringerung der H2-Gasausbeute und einer gewissen Erhöhung
der CO2-Ausbeute zu bilden, ist es zweckmäßig, zusätzlich
eine geringe Menge von Sauerstoff zuzuführen. Bei einem
Sauerstoffverhältnis von mehr als 0,3 wachsen die CO- und
CO2-Ausbeuten rasch an, und die Ausbeute an H2-Gas wird be
trächtlich verringert.
Im Vorstehenden wird Sauerstoff ggf. als ein Kohleverga
sungsmittel verwendet, und Luft als ein sauerstoffhaltiges
Gas kann die gleiche Wirkung wie oben liefern, indem man das
Sauerstoffverhältnis in der zugeführten Luft zur zugeführten
Kohle gewichtsmäßig in dem oben erwähnten Sauerstoffverhält
nisbereich hält.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei
spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert;
darin zeigt
Fig. 1 einen vertikalen Schnitt eines Vergasungsofens
zur Durchführung der Erfindung;
Fig. 2 einen Querschnitt des Befestigungsteils eines
rohrförmigen Feuerfestkörpers in einem Verga
sungsofen zur Ausführung der Erfindung;
Fig. 3 einen schematischen Flußplan eines kombinierten
Kraftwerksystems mit Verwendung eines Kohlever
gasungs-Produktgases als Heizbrennstoff für
einen Vergasungsofen;
Fig. 4 einen schematischen Flußplan eines kombinierten
Kraftwerksystems, das auch zur Erzeugung eines
Einspeisungsgases für die chemische Synthese
dient; und
Fig. 5 einen schematischen Flußplan eines kombinierten
Kraftwerksystems mit Verwendung von CH4 oder
Erdgas als Heizbrennstoff für einen Vergasungs
ofen.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau eines
Vergasungsofens zur Ausführung der Erfindung zeigt. Ein
Vegasungsofen 10 ist von solchem Aufbau, daß ein rohrför
miger Feuerfestkörper 17 durch eine Ofenwand hindurch vor
gesehen ist, die mit feuerfesten wärmeisolierenden Mate
rialien 19 ausgekleidet ist, und eine Brennkammer 18 zwi
schen den feuerfesten wärmeisolierenden Materialien 19 und
dem rohrförmigen Feuerfestkörper 17 vorgesehen ist, wobei
ein Brenner 14 und ein Verbrennungsgasauslaß 15 an der Ofen
wand vorgesehen sind. Ein Brennstoff 2 zum Erhitzen des Ver
gasungsofens und Luft 3 werden dem Brenner 14 zugeführt, um
eine Flamme in der Brennkammer 18 zu bilden, wodurch der
rohrförmige Feuerfestkörper 17 erhitzt wird, und Verbren
nungsgas 11 wird durch den Verbrennungsgasauslaß 15 nach
außerhalb des Ofens abgegeben. Da die Brennkammer 18 mit den
feuerfesten wärmeisolierenden Materialien 19 umgeben ist,
kann eine Wärmeabstrahlung nach außerhalb des Ofens ver
mieden werden, und das Innere des rohrförmigen feuerfesten
Körpers 17 kann ohne weiteres auf einer hohen Temperatur wie
1400°C oder höher gehalten werden. Kohleteilchen 1 und
Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas 4 werden in den
rohrförmigen Feuerfestkörper 17 durch ein Kohlezuführrohr 13
bei einem Sauerstoffverhältnis von 0 bis 0,3 eingeführt und
durch eine Zone des rohrförmigen Feuerfestkörpers 17, dessen
Innentemperatur 1400°C oder höher ist, für 0,1 bis 1 Sekunde
geleitet, und Produktgase werden durch einen Produktgasaus
laß 16 nach außerhalb des Ofens abgeführt.
Fig. 2 ist ein Querschnitt, der den Befestigungsteil des
rohrförmigen Feuerfestkörpers 17 am Vergasungsofen zeigt.
Die feuerfesten wärmeisolierenden Materialien 19, die den
Stahlofenmantel 20 des Vergasungsofens 10 auskleiden, sind
an der Außenseite des rohrförmigen Feuerfestkörpers 17 ange
ordnet und mit einer Nut zum Einfügen eines Packungsmate
rials darin an beiden Enden der feuerfesten wärmeisolieren
den Materialien 19 versehen, ein hitzebeständiges Packungs
material 23 ist in die Nut eingefügt, und ein metallischer
Packungsring 22 ist auf dem Packungsmaterial 23 vorgesehen
und an der Stahlofenwand 20 durch Bolzen 21 befestigt. Das
hitzebeständige Packungsmaterial 23 wird in der Nut durch
Festziehen der Bolzen 21 verformt, um den Spalt zwischen den
feuerfesten wärmeisolierenden Materialien 19 und dem rohr
förmigen Feuerfestkörper 17 abzudichten und einen Austritt
des im rohrförmigen Feuerfestkörper 17 gebildeten Gases in
die Brennkammer 18 oder einen Austritt des Verbrennungsgases
in den rohrförmigen Feuerfestkörper 17 zu vermeiden.
Fig. 3 zeigt einen Aufbau eines kombinierten Stromerzeu
gungssystems, das die Vergasung von Kohle in einem Verga
sungsofen des oben erwähnten Aufbaus, die Verwendung der
Produktgase als Brennstoff zum Erhitzen des Vergasungsofens
und das Zuführen des Verbrennungsgases zu einer mit einem
elektrischen Generator gekoppelten Gasturbine vorsieht,
wodurch elektrischer Strom erzeugt wird, wobei durch Wärme
rückgewinnung erhaltener Dampf einer mit einem elektrischen
Generator gekoppelten Dampfturbine zugeführt wird, wodurch
ebenfalls elektrischer Strom erzeugt wird, welcher elektri
sche Generator in der Zeichnung nicht gezeigt ist.
Dieses System weist einen Vergasungsanlagenteil mit einem
Vergasungsofen 10, einem Grobstaubentferner 30, einem Gas
kühler 35, einem Feinstaubentferner 40 und einem Entschwef
ler 50 und einen Kraftwerksanlagenteil mit einer mit einem
elektrischen Generator gekoppelten Gasturbine 70 zur Erzeu
gung elektrischen Stroms, wobei Verbrennungsgas 11 zum Er
hitzen des Vergasungsofens 10 verwendet wird, einem Dampf
erhitzer 80 zum Erhitzen von durch den Gaskühler 35 erfaßtem
Dampf 82, einer mit einem elektrischen Generator gekoppelten
Dampfturbine 90 zum Erzeugen elektrischen Stroms mit dem
erhitzten Dampf und einem Kondensator 100 zum Erfassen des
zur Stromerzeugung verwendeten Dampfs als Kühlwasser (wobei
der elektrische Generator in der Zeichnung nicht dargestellt
ist). Die Funktionen der einzelnen Einheiten sind folgende:
Der Vergasungsofen ist ein äußerlich beheizter Reaktionsbe
hälter, in dem das Erhitzen mit der Verbrennungswärme des
gereinigten Gases 51 durchgeführt wird, das durch Staubent
fernung und Entschwefelung des im Vergasungsofen 10 gebilde
ten Gases erhalten wird. Das gereinigte Gas 51 wird mit kom
primierter Luft 3′ verbrannt, die durch Kompression atmo
sphärischer Luft 3 durch einen Kompressor 71 erhalten wird,
um das Innere des Vergasungsofens 10 auf einer Temperatur
von 1400°C oder höher zu halten. Zur gleichen Zeit, wenn
Kohleteilchen 1 dem Vergasungsofen 10 zugeführt werden, wird
Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas 4 diesem in einem
Sauerstoffverhältnis von 0 bis 0,3 zum Erhitzen für 0,1 bis
1 Sekunde zugeführt. Innerhalb des Vergasungsofens 10 läuft
die Vergasung der Kohleteilchen 1 ab, wobei H der Kohle
teilchen 1 in H2-Gas überführt wird. Wenn die Kohleteilchen
1 Feuchtigkeit enthalten, reagiert fast die gesamte Menge
der Feuchtigkeit mit C der Kohleteilchen 1 unter Bildung von
H2-Gas und CO. So ist das vom Vergasungsofen 10 austretende
Produktgas 12 eine Gasmischung, die H2-Gas als den Haupt
bestandteil und CO enthält. Da das Produktgas 12 auf einer
hohen Temperatur ist und viel unreagierte Kohlereste ent
hält, wird grobkörniger Kohlerest 32 daraus durch einen
Zyklon usw. des Grobstaubentferners 30 abgetrennt. Dann wird
das vom grobkörnigen Kohlerest 32 befreite Produktgas 31 zum
Gaskühler geleitet, durch den Kühlwasser 81 strömt, um die
Temperatur des Produktgases zu senken und das Kühlwasser 81
als Dampf 82 zu erfassen.
Das gekühlte Produktgas 36 wird durch den Feinstaubentferner
40 geleitet, um feinkörnigen Kohlerest 42 abzutrennen und zu
entfernen, und das vom Staub befreite Produktgas 41 wird dem
Entschwefler 50 zugeführt, um daraus H2S zu entfernen und
ein gereinigtes Gas 51 zu erhalten. Das gereinigte Gas 51
wird als Heizbrennstoff für den Vergasungsofen 10 verwendet,
und das Verbrennungsgas 11 wird der mit dem elektrischen Ge
nerator gekoppelten Gasturbine zugeführt und zur Erzeugung
elektrischen Stroms ausgenutzt. Nach der Stromerzeugung wird
das Gas zum Dampferhitzer 80 geleitet, um Dampf 82, der im
Gaskühler 35 erfaßt wurde, zu erhitzen, und dann als Abgas
72 abgeführt.
Andererseits wird der im Dampferhitzer 80 erhitzte Dampf der
mit dem elektrischen Generator gekoppelten Dampfturbine 90
zur Erzeugung elektrischen Stroms zugeführt, und nach der
Stromerzeugung wird der Dampf zum Kondensator 100 geleitet,
um den Dampf als Wasser zu erfassen, und das erfaßte Wasser
wird erneut als Kühlwasser 81 verwendet.
Im vorliegenden System enthalten der grobkörnige Kohlerest
32 und der feinkörnige Kohlerest 42, die im Grobstaubent
ferner 30 bzw. im Feinstaubentferner 40 entfernt wurden,
viel C, und daher werden die Kohlereste unterirdisch als
Kohlerestmischung 43 vergraben und darin als künftige Brenn
stoffreserve gespeichert. Ein Entschwefelungsmittel aus Me
talloxid wird in den Entschwefler 50 eingefüllt und reagiert
mit H2S unter Bildung von Sulfiden. Die Sulfide werden in
einen Entschwefelungsmittelerfassungstank 60 abgezogen und
als verbrauchtes Entschwefelungsmittel 61 erfaßt.
Fig. 4 zeigt den Aufbau eines kombinierten Kraftwerksystems,
das auch zur Erzeugung eines Einspeisungsgases für eine che-
mische Synthese gemäß der Erfindung dient. In diesem System
ist nur ein Unterschied im Aufbau von Fig. 3 darin zu sehen,
daß das gereinigte Gas 51 nicht als Heizbrennstoff 2 für den
Vergasungsofen 10 verwendet wird, sondern ein Heizbrennstoff
von außerhalb des Vergasungsanlagensystems zugeführt wird,
wobei die Gesamtmenge des gereinigten Gases 51 als Einspei
sungsgas für eine chemische Synthese verwendet wird. In die
sem Fall wird CH4 mit weniger CO2-Erzeugung bei der Verbren
nung oder ein CH4 als Hauptbestandteil enthaltendes Erdgas
als Heizbrennstoff 2 für den Vergasungsofen 10 verwendet.
CH4 oder ein Erdgas als der Heizbrennstoff 2 für den Verga
sungsofen 10 wird mit komprimierter Luft 3′ verbrannt, um
die Innentemperatur des Vergasungsofens 10 auf 1400°C oder
höher zu steigern, und Kohleteilchen 1 und Sauerstoff oder
sauerstoffhaltiges Gas 4 werden dem Vergasungsofen 10 mit
einem Sauerstoffverhältnis von 0 bis 0,3 zugeführt, wobei
eine H2-Gas als Hauptbestandteil und CO enthaltende Gas
mischung als das Produktgas 12 erhalten wird, wie oben er
wähnt wurde. Das Produktgas 12 wird dem Grobstaubentferner
30, dem Gaskühler 35, dem Feinstaubentferner 40 und dem Ent
schwefler 50 nacheinander zugeführt, um die unreagierten
Feststoffe und H2S aus dem Produktgas 12 einerseits zu ent
fernen und Dampf 82 andererseits zu erfassen, und das so
erhaltene gereinigte Gas 51 wird als Einspeisungsgas für
eine chemische Synthese verwendet.
In diesem System wird das heiße, im Vergasungsofen 10 er
hitzte Verbrennungsgas 11 der mit dem elektrischen Generator
gekoppelten Gasturbine 70 zugeführt, um elektrischen Strom
zu erzeugen, und nach der Stromerzeugung wird das Gas dem
Dampferhitzer 80 zum Erhitzen des Dampfes 82 zugeführt und
dann abgeleitet. Andererseits wird der erhitzte heiße Dampf
in der mit dem elektrischen Generator gekoppelten Dampftur
bine 90 zur Erzeugung elektrischen Stroms ausgenutzt, und
nach der Stromerzeugung wird der Dampf zu Wasser im Konden
sator 100 kondensiert und als das Kühlwasser 81 ausgenutzt.
Fig. 5 zeigt den Aufbau eines kombinierten Kraftwerksystems
mit Verwendung von CH4 oder von Erdgas als Heizbrennstoff
für den Vergasungsofen. In diesem System sind die einzigen
Unterschiede im Aufbau gegenüber den zuvor erwähnten Kraft
werksystemen diejenigen, das Verbrennungsgas 11 von CH4 oder
Erdgas, die zum Erhitzen des Vergasungsofens 10 verwendet
werden, der mit dem elektrischen Generator gekoppelten Gas
turbine 70 einerseits zuzuführen und das von den Kohleteil
chen 1 im Vergasungsofen 10 gebildete Gas 12 zum Grobstaub
entferner 30, zum Gaskühler 35, zum Feinstaubentferner 40
und zum Entschwefler 50 zu leiten, um den grobkörnigen Koh
lerest 32, den feinteiligen Kohlerest 42 und H2S zu entfer
nen, wodurch ein gereinigtes Gas erhalten wird, während
andererseits Dampf 82 erfaßt wird, und das gereinigte Gas 51
in einen Gasturbinenbrenner 73 einzuführen, um darin mit
einem Teil 3′′ der komprimierten Luft, die vom Kompressor 71
abgegeben wird, verbrannt zu werden, und das Verbrennungsgas
der mit dem elektrischen Generator gekoppelten Gasturbine 70
zur Erzeugung elektrischen Stroms zuzuführen. In diesem
System wird nach der Stromerzeugung in der mit dem elektri
schen Generator gekoppelten Gasturbine 70 das Abgas dem
Dampferhitzer 80 zugeführt und zum Erhitzen des Dampfes 82
ausgenutzt. Dampf wird zur Stromerzeugung in der mit dem
elektrischen Generator gekoppelten Dampfturbine 90 ver
wendet.
In diesem Kraftwerkssystem wird viel C enthaltender unrea
gierter Kohlerest erfaßt, wie zuvor erwähnt, und der Koh
lerest wird unterirdisch vergraben und als zukünftige Brenn
stoffreserve gespeichert, bis eine Technik zum Abtrennen und
Erfassen von CO2 zur Verfügung steht. So wird empfohlen,
diese abgegrenzte Kraftwerksanlage an Kohlebergwerkslagen zu
errichten und die erfaßten unreagierten Kohlereste in die
unterirdischen, durch Kohleabbau ausgehöhlten Hohlräume
einzufüllen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand tatsächlicher Kohle
vergasungsergebnisse erläutert.
Kohleteilchen mit der folgenden Elementaranalyse (Gew.-%)
ließ man Feuchtigkeit bis zu einem Feuchtigkeitsgehalt von
6,92 Gew.-% absorbieren:
C:|65,65% | |
H: | 5,00% |
N: | 1,35% |
O: | 15,49% |
S: | 0,10% |
Asche: | 12,41% |
Mit den auf den genannten Feuchtigkeitsgehalt eingestellten
Kohleteilchen wurden das vorliegende Kohlevergasungsverfah
ren und das herkömmliche Kohlevergasungsverfahren in einem
äußerlich beheizten Vergasungsofen unter den folgenden Be
dingungen überprüft.
Im vorliegenden Verfahren wurde die Vergasung bei 1400°C und
1600°C mit einem Temperaturanstieg von 103 bis 104°C/s bei
Sauerstoffverhältnissen von 0 und 0,3 für eine Erhitzungs
zeit der Kohleteilchen von 0,185 Sekunden zur Erfassung der
Ausbeuten an H2-Gas, CO und CO2 je g Kohle nach Abkühlung
durchgeführt.
Beim herkömmlichen Verfahren wurde die Vergasung bei den
gleichen Temperaturen wie denen des vorliegenden Verfahrens
mit einem Temperaturanstieg von 102°C/s bei einem Sauer
stoffverhältnis von 0,9 für eine Erhitzungszeit der Kohle
teilchen von 3 Sekunden, welche als die geeignetsten Ver
gasungsbedingungen zu Erzeugung von CO als brennbarem Gas
mit höchster Ausbeute betrachtet wurden, durchgeführt, um
die Ausbeuten an H2-Gas, CO und CO2 je g Kohle zum Vergleich
festzustellen. In beiden Verfahren war der Druck im
Vergasungsofen der Atmosphärendruck.
Die Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der Gasausbeuten zwi
schen dem vorliegenden Verfahren und dem herkömmlichen Ver
fahren.
Ein Vergleich der H2-Gasausbeute ergibt die folgenden Tatsa
chen. Die theoretische H-Gasausbeute, wenn die Gesamtmenge
der in den Kohleteilchen enthaltenen Feuchtigkeit mit C
reagiert und die Gesamtmenge der H-Atome in den Kohleteil
chen in H2-Gas übergeht, ist 0,607 l/g. Die H2-Gasausbeute
bei einem Sauerstoffverhältnis von 0 ist 0,6 l/g bei einer
Temperatur von 1400°C oder höher, und es wurde bestätigt,
daß nicht nur H-Atome in den Kohleteilchen, sondern auch die
darin enthaltene Feuchtigkeit fast vollständig mit C zur
Bildung des H2-Gases reagierten. Die H2-Gasausbeute bei
einem Sauerstoffverhältnis von 0,3 ist etwas geringer als
die mit einem Sauerstoffverhältnis von 0, jedoch beträgt sie
noch etwa 93% der H2-Gasausbeute bei einem Sauerstoffver
hältnis von 0, welcher Wert viel höher als der beim her
kömmlichen Verfahren ist.
Ein Vergleich der CO2-Ausbeute zeigt, daß die CO2-Ausbeuten
bei Sauerstoffverhältnissen von 0 und 0,3 beim vorliegenden
Verfahren viel niedriger als die beim herkömmlichen Verfah
ren sind, und es ist offensichtlich, daß das vorliegende
Verfahren im wesentlichen kein CO2 erzeugt.
Da die CO-Ausbeute mit steigender Menge zugeführten Sauer
stoffs bis zu einem Sauerstoffverhältnis von etwa 0,9
wächst, sind die CO-Ausbeuten beim vorliegenden Verfahren
mit Sauerstoffverhältnissen von 0 und 0,3 niedriger als die
beim herkömmlichen Verfahren. Und zwar ist beim vorliegenden
Verfahren die CO-Ausbeute bei der Kohlevergasung niedriger
als die beim herkömmlichen Verfahren, jedoch ist die H2-Gas
ausbeute höher bei keiner wesentlichen Bildung von CO2. So
kann, wenn das durch Kohlevergasung mittels des vorliegenden
Verfahrens erhaltene Produktgas als Heizbrennstoff verwendet
wird, die CO2-Menge im Verbrennungsgas viel mehr verringert
werden, als wenn das nach dem herkömmlichen Verfahren erhal
tene Produktgas verbrannt wird, und so ist das vorliegende
Verfahren ein wirkungsvolles Kohlevergasungsverfahren, wenn
der terrestrische Treibhauseffekt in Betrachtung gezogen
wird.
Kohlen mit der folgenden Zusammensetzung ließ man Feuchtig
keit bis zu einem Feuchtigkeitsgehalt von 5,15% absorbie
ren, und sie wurden unter den gleichen Vergasungsbedingungen
wie im Beispiel 1 vergast; die Ergebnisse der Gasausbeuten
beim vorliegenden Verfahren und beim herkömmlichen Verfahren
sind in der Tabelle 2 gezeigt.
C:|66,12% | |
H: | 5,41% |
N: | 0,87% |
O: | 16,48% |
S: | 0,20% |
Asche: | 10,92% |
Die H2-Gasausbeuten bei Sauerstoffverhältnissen von 0 und
0,3 sind beim vorliegenden Verfahren viel höher als die beim
herkömmlichen Verfahren. Die theoretische H2-Gasausbeute,
wenn die Gesamtmenge der in den Kohleteilchen enthaltenen
Feuchtigkeit mit C reagiert und die Gesamtmenge der H-Atome
in den Kohleteilchen zu H2-Gas umgewandelt wird, ist etwa
0,638 l/g. Die H2-Gasausbeute bei einem Sauerstoffverhältnis
von 0 ist 0,610 l/g oder höher bei Temperaturen von 1400°C
und 1600°C beim Verfahren gemäß der Erfindung, und die bei
einem Sauerstoffverhältnis von 0,3 ist etwa niedriger als
die bei einem Sauerstoffverhältnis von 0 beim Verfahren
gemäß der Erfindung, jedoch viel höher als die beim herkömm
lichen Verfahren.
Ein Vergleich der CO2-Ausbeute zeigt, daß die CO2-Ausbeuten
bei Sauerstoffverhältnissen von 0 und 0,3 merklich niedriger
beim Verfahren gemäß vorliegender Erfindung als die beim
herkömmlichen Verfahren sind, und daher ist die vorliegende
Erfindung wirksam zur Verringerung der CO2-Ausbeute.
Ein Vergleich der CO-Ausbeute zeigt, daß die CO-Ausbeuten
bei Sauerstoffverhältnissen von 0 und 0,3 beim Verfahren
gemäß der Erfindung niedriger als die beim herkömmlichen
Verfahren sind. Gemäß vorliegender Erfindung wird die
H2-Gasausbeute gesteigert, und die CO- und CO2-Ausbeuten
werden verringert, wenn man sie mit dem herkömmlichen Ver
fahren vergleicht, und daher ist es möglich, die Menge von
CO2 in dem durch Verbrennen des Produktgases erzeugten Ver
brennungsgas erheblich zu verringern.
Bei der vorliegenden Kohlevergasung ist die H2-Gasausbeute
höher, und die CO- und CO2-Ausbeuten sind niedriger als beim
herkömmlichen Kohlevergasungsverfahren. So läßt sich, wenn
die Verbrennung des Produktgases zur Stromerzeugung aus
genutzt wird, die CO2-Ausbeute im Verbrennungsabgas erheb
lich im Vergleich mit dem herkömmlichen Verfahren verrin
gern, und daher ist die vorliegende Erfindung zur Verringe
rung von Anlagekosten zur Beseitigung von CO2 als Hauptgrund
für den terrestischen Treibhauseffekt wirkungsvoll.
Claims (18)
1. Verfahren zum Vergasen von Kohle,
dadurch gekennzeichnet,
daß Kohle rasch auf eine Vergasungstemperatur erhitzt und
bei dieser Temperatur für eine kurze Zeit gehalten wird,
wodurch ein Wasserstoff als Hauptbestandteil enthaltendes
brennbares Gas gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kohle einer auf die Vergasungstemperatur erhitz
ten Atmosphäre für 0,1 bis 1 Sekunde unter Bildung des
Wasserstoff als Hauptbestandteil enthaltenden brennbaren
Gases ausgesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kohle auf die Vergasungstemperatur mit einem An
stieg von 103 bis 104°C/s erhitzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die Kohle durch ein Förderrohr mit einem Tempera
turanstieg von 103 bis 104°C/s leitet und die Kohle beim
Durchleiten für 0,1 bis 1 Sekunde bei der Vergasungstem
peratur erhitzt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kohle auf die Vergasungstemperatur in einem
sauerstoffgasfreien Zustand erhitzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kohle auf die Vergasungstemperatur in der Gegen
wart eines Sauerstoffgases in einem solchen Bereich er
hitzt wird, daß das Gewichtsverhältnis zugeführten
Sauerstoffs zu zugeführter Kohle nicht mehr als 0,3 ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kohle auf die Vergasungstemperatur in einem
feuchtigkeits-absorbierten Zustand erhitzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kohle durch Erhitzen auf eine Temperatur von
1400 bis 1700°C vergast wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß Luft als das Sauerstoffgas zugeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kohlevergasungsprodukt aus der erhitzten Atmo
sphäre entfernt und auf eine unter der Vergasungstempe
ratur liegende Temperatur abgekühlt wird.
11. Vorrichtung zum Vergasen von Kohle,
gekennzeichnet durch
eine Heizeinrichtung zur Erzeugung einer auf eine Kohle
vergasungstemperatur erhitzten Heizatmosphäre und
eine Kohlefördereinrichtung zum Fördern der Kohle zur
Heizatmosphäre und zum Aussetzen der Kohle zur Heizatmo
sphäre für 0,1 bis 1 Sekunde.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kohlefördereinrichtung zum Fördern von Kohle
teilchen mit einem Temperaturanstieg von 103 bis 10⁴°C/s
dient und
die Heizeinrichtung zum Erhitzen der Kohleteilchen bei
der Vergasungstemperatur für 0,1 bis 1 Sekunde während
der Förderung der Kohleteilchen eingerichtet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie ein Förderrohr mit zwei offenen Enden zum För
dern der Kohleteilchen vom einen Ende zum anderen mit
tels der Fördereinrichtung aufweist und
daß die Heizeinrichtung zum Erhitzen der durch das För
derrohr geförderten Kohleteilchen auf die Vergasungs
temperatur außerhalb des Förderrohres angebracht ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie eine Einrichtung zum Fördern wenigstens eines
Teils eines durch die Erhitzung auf die Vergasungstem
peratur gebildeten Gases als Brennstoff zur Heizein
richtung aufweist.
15. Verwendung des nach einem der Ansprüche 1 bis 10 erhal
tenen, Wasserstoff als Hauptbestandteil enthaltenden
brennbaren Gases, wobei das beim Verbrennen eines Heiz
brennstoffs für die Kohlevergasung gebildete Verbren
nungsgas einer mit einem elektrischen Generator verbun
denen Gasturbine zwecks Stromerzeugung zugeführt wird.
16. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 15,
gekennzeichnet durch
eine Kohlevergasungseinheit zum Erhitzen von Kohle auf
eine Vergasungstemperatur mit einem brennbaren Gas als
Brennstoff zur Bildung eines Wasserstoff als Hauptbe
standteil enthaltenden brennbaren Gases,
einen Wärmetauscher zur Rückgewinnung von Dampf durch
Wärmeaustausch mit diesem in der Kohlevergasungseinheit
gebildeten brennbaren Gas,
eine Kohleerhitzungsbrennstoff-Fördereinheit zum För
dern des abgekühlten brennbaren Gases vom Wärmetauscher
als Kohleerhitzungsbrennstoff zur Kohlevergasungsein
heit,
eine mit einem elektrischen Generator verbundene Gastur
bine zur Stromerzeugung mit einem von der Kohleverga
sungseinheit abgegebenen Verbrennungsgas und
eine mit einem elektrischen Generator verbundene Dampf
turbine zur Stromerzeugung mit dem im Wärmetauscher
rückgewonnen Dampf.
17. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 15,
gekennzeichnet durch
eine Kohlevergasungseinheit zum Erhitzen von Kohle auf
eine Vergasungstemperatur mit einem brennbaren Gas als
Brennstoff zur Bildung eines Wasserstoff als Hauptbe
standteil enthaltenden brennbaren Gases,
einen Wärmetauscher zur Rückgewinnung von Dampf durch
Wärmeaustausch mit diesem in der Kohlevergasungseinheit
gebildeten brennbaren Gas,
eine mit einem elektrischen Generator verbundene Gastur
bine zur Stromerzeugung mit einem Verbrennungsgas vom
Erhitzen der Kohle in der Kohlevergasungseinheit und
eine mit einem elektrischen Generator verbundene Dampf
turbine zur Stromerzeugung mit dem im Wärmetauscher
rückgewonnenen Dampf.
18. Anlage nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß außerdem eine Einrichtung zum Fördern eines Teils
des oder des gesamten brennbaren, Wasserstoff als Haupt
bestandteil enthaltenden, in der Kohlevergasungseinheit
gebildeten und durch den Wärmetauscher geleiteten Gases
zur mit dem elektrischen Generator verbundenen Gastur
bine vorgesehen ist.
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