DE910918C - Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von Kohle in elektrische Energie - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von Kohle in elektrische Energie

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Umwandlung von Kohle in elektrische Energie und betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von Kohle in elektrische Energie mittels Gaszellen.
Es wurden Gaszellen vorgeschlagen und entwickelt, die sich dazu eignen, Elektrizität durch die Verbrennung von Wassergas (Kohlenmonoxyd und Wasserstoff) zu erzeugen, wobei Luft als oxydierendes Gas Verwendung findet. Besondere Erfolge wurden erzielt, wenn die Zellen bei hohen Temperaturen arbeiteten. Bei den früheren Gaszellen dieser Art wurde das Wassergas zuerst in einer getrennten Vergasungszone erzeugt und dann dem Kathodenende einer Gaskammer zugeführt.
Der Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung von Kohle in elektrische Energie bei solchen Anlagen liegt, falls man annimmt, daß der maximale Wirkungsgrad in jeder der beiden getrennten Stufen erreicht wird, in der Größenordnung von 40%.
Nach der Erfindung ist ein Verfahren zur Umwandlung von Kohle in elektrische Energie vorgesehen, bei dem der Gesamtwirkungsgrad in der Höhe von 75 °/o liegt. Dieses Verfahren besteht darin, daß man Wasserdampf und Kohle in einer Vergasungszone zur Reaktion bringt, um ein gasförmiges Produkt mit den Hauptbestandteilen Kohlenmonoxyd und Wasserstoff zu erhalten. Dieses gasförmige Produkt wird dann einer elektrochemischen Reaktionszone mit einer oder mehreren
Gaszellen zugeführt, die bei erhöhten Temperaturen arbeiten und unmittelbar in die Dampf-Kohle-Reaktionszone eingetaucht sind. Ein oxydierendes Gas, beispielsweise Luft, läßt man zur Sauerstofielektrode zirkulieren, von wo es zur Wassergaselektrode durch den Elektrolyt in Form eines oxydierenden Ions transportiert wird, wodurch das Wassergas verbrennt und die Verbrennungswärme zum Teil in elektrische Energie umgewandelt wird. ίο Die verbleibende Verbrennungswärme wird bei der Betriebstemperatur der Gaszelle, vorzugsweise 700. bis 9000, freigegeben und unmittelbar der Kohle in der Dampf-Kohle-Reaktionszone zugeführt. Die so freigegebene überschüssige Wärme findet dazu Verwendung, die Wasserdampf-Kohle-Reaktionszone auf Reaktionstemperatur zu halten. Bei der richtigen Wahl der Reaktionsbedingungen in dieser Zone wird Wassergas zur Zuführung in die Gaszelle erzeugt. Es läßt sich eine Gesamtwirksamkeit der Umwandlung von Kohle in elektrische Energie erzielen, die überraschenderweise in der Nähe des doppelten der früher gebräuchlichen Anlagen liegt.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Ziele wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung in der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Zeichnung zeigt teilweise schematisch und teilweise im Schnitt eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der Zeichnung ist mit dem Bezugszeichen 10 ein Gaserzeugungskessel mit einem im wesentlichen zylindrischen Oberteil 12 und einem konisch zulaufenden Boden 14 bezeichnet. Dieses Gefäß umschließt eine Einlage von Festkörpern 16, die durch Dampf im Schwebezustand gehalten wird und sich auf Dampf-Kohle-Reaktionstemperatur und -druck befindet. Ein Gitter 18 ist am Oberteil des konischen Teiles 14 zur Auflage der Einlage 16 vorgesehen. Am Bodenteil des Kessels ist eine Zuführungsleitung 2Q für die Festkörper vorgesehen, die diese in den Kessel 10 befördert. Eine Leitung 22 ist am Scheitel des konischen Bodens des Kessels 10 zur Zuführung von Dampf in den Kessel angeschlossen. Am Oberteil des Kessels 10 befindet sich ein Zyklonabscheider 24, der zur Abtrennung von festen Feinteilchen, die in dem erzeugten Gas mitgerissen werden, und zur Rückführung dieser Teilchen in den Kessel 10 durch ein Tauchrohr 26 dient. Vom Zyklonabseheider führt eine Leitung 28 für das erzeugte Wassergas zu einer Anzahl von Gaszellen 30.
Diese Gaszellen 30 sind alle vom gleichen Aufbau und arbeiten bei hohen Temperaturen im Bereich von 600 bis 10000. Jede Zelle enthält zwei rechteckige Plattenelektroden 32 und 34, die, voneinander getrennt, senkrecht und parallel angeordnet sind. Die Elektrode 32 bildet die Anode der Zelle und besteht aus Eisenmagnetit. Die Elektrode 34 bildet die Kathode der Zelle und besteht aus Eisen-Eisenoxyd. Die beiden Elektroden sind durch einen festen Elektrolyt 36 getrennt, der aus einer Glasmasse besteht, die aus einer Mischung von Natriumsilikat, Monazitsand, Wolframtrioxyd und Natriumcarbonat hergestellt ist. Eine geeignete Zusammensetzung besteht beispielsweise aus 43% Natriumcarbonat, 27% Monazitsand, 20% Wolframtrioxyd und 10% Natriumsilikat. Die Glasmasse ist in die Form einer glatten rechteckigen Platte geprägt und zwischen die beiden Elektroden gepreßt. Selbstverständlich bildet die Zusammensetzung der Gaszelle für sich keinen Teil der vorliegenden Erfindung; sie muß nur für die Zwecke dieser Erfindung so gewählt sein, daß die Zellen bei erhöhten Temperaturen arbeiten können. Solche Zellen sind in der Literatur beschrieben (vgl. beispielsweise »Gaszellen mit festen Elektrolyten«, Bull. Acad. Sei. USSR. Classe Sei. Tech., 215 bis 218 [1946]; Zeitschr. für Elek- So trochemie, 27, 199 bis 208 [1921]; Zeitschr. für Elektrochemie, 43, 727 bis 732 [1937]).
Jede Gaszelle 30 ist mit einem kastenartigen Metallgehäuse 38 versehen, dessen Seitenwandungen von den Elektroden 32 und 34 durch einen Abstand getrennt sind, um Gasdurchlässe 40 bzw. 42 vorzusehen. Der Durchlaß 40 führt ein oxydierendes Gas in innigem Kontakt mit der positiven Elektrode 32, während der Durchlaß 42 Wassergas in innigem Kontakt mit der negativen Elektrode 34 führt.
Die Gaszellen 30 sind in zwei Teile 44 und 46 mit gleicher Zellenzahl für jeden Teil unterteilt. Die Zellen eines Teiles sind parallel geschaltet, während die beiden Teile selbst bezüglich des Gasstromes in Reihe liegen. Die Anordnung der Zellengruppen in Reihe setzt die Verluste der Zellenspannung infolge des Abfalls des Teildruckes der Reaktionsteilnehmer, wenn diese bei der Zellenreaktion verbraucht werden, herab. Luft wird den ioo oberen Enden der Durchlässe 40 in den Zellen des Teiles 44 durch die Leitungen 48 von einer Hauptlüftleitung 50 zugeführt. Die Leitungen 52 verbinden die unteren Enden der Durchlässe 40 mit einer Verbindungsleitung 54. Diese ist mit dem unteren Ende der Durchlässe 40 der Zellen im Teil 46 mittels der Leitungen 56 verbunden. Die oberen Enden der Durchlässe 40 der Zellen im Teil 46 sind an eine Rauchgasleitung 58 mittels Leitungen 60 angeschlossen. Die Leitung 58 ist mit einer Leitung 62 zur Ableitung des Rauchgases an eine geeignete Stelle verbunden. Der Wärmeaustausch zwischen der Rauchgasleitung 62 und der Dampfleitung 22 sowie der Luftleitung 50 erfolgt durch Wärmeaustauscher 64 bzw. 66.
Die Wassergasleitung 28 ist an die unteren Enden der Durchlässe 42 der Zellen im Teil 44 durch die Leitungen 64 angeschaltet. Die oberen Enden der Durchlässe 42 kommunizieren mittels Leitungen 66 mit einer Leitung 68, die Gas von den Durchlässen 42 im Teil 44 zu den oberen Enden der Durchlässe 42 im Teil 46 durch Leitungen 70 leitet. Die unteren Enden der Durchlässe 42 der Zellen im Teil 46 kommunizieren mit einer Rauchgasleitung 72 über Leitungen 74. Die Leitung 1J^ ist mit der Leitung 62 verbunden.
Die Zellen 30 sind durch elektrische Leitungen 76 zwischen den Elektroden in Reihe geschaltet. Die elektrischen Leitungen 78 und 80 bilden die Klemmleitungen des Zellensystems und können mit einem elektrischen Speicher oder einer Motoranlage verbunden sein.
Die Wirkungsweise der oben geschilderten Anlage soll nunmehr in ihrer Anwendung auf die Umwandlung von kohlenstoffhaltigen Rückständen, wie z. B. Koks, beschrieben werden, der durch die bei niedriger Temperatur erfolgten Vergasung von Kohle entsteht. Nach der Erfindung wird die Verwendung solchen Kokses wegen seiner hohen Reaktionsfähigkeit bei den verwendeten Temperatüren bevorzugt. Ferner ist es vorzuziehen, diesen Koks im Schwebezustand in der Vergasungszone wegen der dadurch erzielten Wirksamkeit der Wärmeübertragung zu halten.
Feinverteilter Koks wird in den Kessel 10 durch ao die Zuführungsleitung 20 für die Festkörper durch geeignete Mittel, beispielsweise eine motorbetriebene Förderschnecke, die nicht gezeichnet ist, zugeführt. Gleichzeitig läßt man Dampf von der Leitung 22 durch das Gitter 18 und nach oben durch die im Schwebezustand gehaltene Kokseinlage zirkulieren. Der Spiegel der Koksschicht wird oberhalb des Gaszellensystems gehalten, so daß dieses vollständig zwecks unmittelbaren Wärmeaustauschs in die Kohleneinlage eingetaucht ist. Die Wärme wird der Vergasungszone von den Gaszellen in der weiter unten näher beschriebenen Weise zugeführt. Die sich ergebende Temperatur in der Kohleneinlage liegt wenige Grad unterhalb der Zellentemperatur, welche vorzugsweise zwischen 700 und 9000 beträgt.
Bei der Dampf-Kohle-Reaktion entsteht ein Aschen- oder geringwertiger Kohlenstoffbestandteil, der durch die Leitung 23 abgezogen werden kann, da es notwendig ist, den gewünschten Einlagespiegel und ein gasförmiges Gemisch, das hauptsächlich aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff besteht, aufrechtzuerhalten. Das gasförmige Produkt wird dem Zyklonabscheider 24 zugeleitet und dort von mitgerissenen feinsten Festbestandteilen befreit, die in die flüssigkeitsartige Schicht 16 durch das Eintauchrohr 26 zurückgeleitet werden. Das von festen Bestandteilen freie Gas wird dann durch die Leitung 28 und die Leitungen 64 zu den unteren Enden der Durchlässe 42 der Gaszellen im Teil 44 gefördert. Im Gegenstrom dazu wird Luft durch die Leitung 50 und die Leitungen 48 zu den oberen Enden der Gaszellen im Teil 44 geleitet. An den positiven Elektroden 32 der Zellen im Teil 44 werden die Elektronen durch das Eisenoxyd aufgenommen, um das Oxydion oder sein Äquivalent in den festen Elektrolyt abzugeben. Der Sauerstoff, der in der durch die Durchlässe 40 zirkulierenden Luft enthalten ist, reagiert mit dem Eisen, so daß dieses im Zustande der Oxydation bleibt, wobei der verbleibende Stickstoff und der nicht zu Reaktion gekommene Sauerstoff durch die Leitungen 52 und 54 weggeführt wird. An den negativen Elektroden 34 wird das Oxydion entladen und gibt Elektronen ab und oxydiert die Elektrode zu einem höheren Eisenoxyd CO und H2, die durch die Durchlässe 42 zirkulieren, reduzieren das so gebildete höhere Eisenoxyd und werden in CO2 und H2O umgewandelt, die zusammen mit dem nicht zur Reaktion gekommenen CO und H2 durch die Leitungen 66 und 68 fortgeführt werden. Ein Teil der so durch die Verbrennung des Wassergases frei gewordenen Energie erzeugt Elektrizität über den Elektrolyt 36. Die im Zellensystem erzeugten Rauchgase werden durch die Leitungen 58 und 72 in eine gemeinsame Leitung 62 geführt. Die Wärme des Rauchgases findet dazu Verwendung, um den eintretenden Dampf und die Luft in den Wärmeaustauschern 64 und 66 vorzuerhitzen. Die gleichen Zellenreaktionen treten im zweiten Teil 46 zwischen den Elektroden! und den nicht zur Reaktion gekommenen Gasen vom ersten Teil 44 auf, jedoch zirkulieren die Gase in entgegengesetzter Richtung zum Teil 44.
Die durch die Gaszellen erzeugte Elektrizität wird vom Zellensystem durch die elektrischen Leitungen 78 und 80 abgeleitet. Die einzelnen Zellen erzeugen eine Spannung in der Größenordnung von 0,5 bis 0,9 V, je nach der aus der Zelle entnommenen Stromdichte. Die Restenergie verbleibt als Wärme und wird der Schwebeschicht 16 zugeführt, in die die Zellen eingetaucht sind. Die Zellen sind so gebaut, daß sie bei Temperaturen um 700 bis 9000 arbeiten und die Temperatur der Einlage 16 25 bis 500 unter der Zellentemperatur bleibt. Mittels der Schwebeschicht 16 wird die von den Zellen stammende Wärme schnell und gleichmäßig auf alle Teile der Einlage übertragen. Eine geringe Menge fühlbarer Wärme geht dem System in den abströmenden Rauchgasen aus den Zellen verloren, jedoch wird diese teilweise durch die Übertragung auf den eintretenden Dampf und die Luftleitungen zurückgewonnen.
Es ist selbstverständlich, daß die gewählte Anzahl der Gaszellen nur zum Zwecke der Erläuterung dient. Die genaue Zahl der verwendeten Zellen hängt vom Aufbau des besonderen Systems und der gewünschten Kapazität ab.
Als Beispiel für die Wirkungsweise der oben beschriebenen Anlage zur Umwandlung von Kohle in elektrische Energie seien die folgenden Bedin- no gungen und Ergebnisse erwähnt. Die Temperatur der Gaszellen beträgt 8270 und die der schwebenden Kohleneinlage 8oo°. Unter diesen Bedingungen ist der Wirkungsgrad als Funktion der Dampfumwandlung in der untenstehenden Tabelle gegeben. Der Wirkungsgrad ist als elektrische Ausgangsenergie der Zelle, dividiert durch die Verbrennungswärme der verbrauchten Kohle, definiert.
Dampfumwandlung (°/o) 35 55 70 90
Thermischer iao
Wirkungsgrad (°/o) .... 50,7 68,2 73,3 75,5
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage egenüber den Gaszellen mit unabhängig von ihnen erzeugtem Wassergas ist offensichtlich. Bei den bekannten Anlagen liegt der Gesamtwirkungsgrad
unter optimalsten Bedingungen nicht höher als 41,6 °/o im Vergleich mit dem Maximum von 75% nach dem oben beschriebenen Verfahren gemäß der Erfindung.
Es ist zu bemerken, daß es zur Erreichung des maximalen Wirkungsgrades notwendig ist, Dampfumwandkmgen von über 70% zu erreichen. Um so hohe Dampfumwandlungen bei den verwendeten Temperaturen zu erzielen, müssen hoch reaktionsfähige Kohlensorten verwendet werden oder ein Vergasungskatalysator, beispielsweise Na2CO3, hinzugefügt werden. Es ist wünschenswert, bei der im Schwebezustand gehaltenen Einlage mit einer Dampfzuführungsgeschwindigkeit zu arbeiten, die etwas über der liegt, die zur Erzielung des beginnenden Schwebezustandes notwendig ist, d. h. bei einer linearen Oberflächengeschwindigkeit von 3 bis 15 cm/sec bei Verwendung von Kohle mit einem Durchmesser bis 0,3 mm. Dies ist notwendig, um eine verhältnismäßig hohe Dampfumwandlung bei den verwendeten niedrigen Temperaturen zu erreichen. Die Verwendung eines Katalysators gestattet den Betrieb bei einer niedrigeren Zellenbetriebstemperatur, was den Wirkungsgrad der Anlage verbessert. Sollte es notwendig sein, die Anlage mit geringeren Dampfuimwandlungen zu betreiben, als sie für den maximalen thermischen Wirkungsgrad erforderlich sind, so ist es ratsam, die Zellen mit höherer Stromdichte zu betreiben und damit einen wirtschaftlichen Ausgleich für den niedrigeren, thermischen Gesamtwirkungsgrad zu schaffen.
Die erfindungsgemäße Anlage kann auch mit gasförmigem kohlenstoffhaltigem Material, beispielsweise Naturgas an Stelle von Kohle, betrieben werden. In diesem Gas wird die Kohle-Dampf-Reaktion durch die Methan-Dampf-Reaktion ersetzt, die beispielsweise durch Wärmeaustausch mit den Gaszellen durch Verwendung eines im Schwebezustand gehaltenen Nickel-Aluminium-Katalysators bei 650 bis 8oo° ausgeführt wird. Wie vorher werden C O und H2 als Betriebsstoff für die Zellen erzeugt. Die Anwendung dieser technischen Maßnahme gibt einen Wirkungsgrad der Umwandlung von Methan in elektrische Energie von 73,8%.
Die in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendeten Ausdrücke Kohle und Koks dienen zur Bezeichnung beliebiger Kohlensorten, die
So Stoffe enthalten, welche mit Dampf unter Bildung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff reagieren.

Claims (9)

  1. pATENTANSPRCCHE:
    -ι. Verfahren zur Umwandlung von Kohle in elektrische Energie, gekennzeichnet durch Reaktion von Wasserdampf und Kohle in einer Vergasungszone unter Bedingungen, die zur Biildung eines gasförmigen Produktes mit CO und H2 führen, durch getrenntes Zirkulierenlassen dieses gasförmigen Produktes und eines oxydierenden Gases durch eine elektrochemische Reaktionszone bei erhöhter Temperatur, wobei das gasförmige Produkt oxydiert und seine Verbrennungswärme teilweise in elekirische Energie umgewandelt wird, durch Aufrechterhalten der Temperatur dieser elektrochemischen Zone über der Temperatur der Vergasungszone, durch Überführung der in der elektrochemischen Zone entwickelten Wärme in die Vergasungszone zur Gewinnung von Wärme für die Dampf-Kohle-Reaktion und durch Abnahme der erzeugten elektrischen Energie.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Reaktion von Dampf und Kohle den Dampf durch eine Einlage feinverteilter kohlenstoffhaltiger, im Schwebezustand gehaltener Festkörper unter Reaktionsbedingungen zirkulieren läßt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als oxydierendes Gas Luft verwendet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Reaktionszone durch die Verbrennungswärme des gasförmigen Produktes auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird, die über der liegt, die zur Reaktion von Dampf und Kohle notwendig ist. go
  5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Dampf-Kohle-Reaktion fördernder Katalysator den im Schwebezustand gehaltenen Festkörpern zugeführt wird. gg
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenstoffhaltiger Festkörper Koks verwendet wird, der durch die Vergasung kohlenstoffhaltiger Materialien bei 'niederer Temperatur erzeugt wurde.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemische Reaktionszone auf einer Temperatur zwischen 700 und 9000 gehalten wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Umwandlung eines methanhaltigen Gases in elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, daß man ein methanhaltiges Gas durch eine Einlage eines feinverteilten Methan-Dampf-Reaktionskatalysators im Schwebezustand unter Reaktionsbedingungen zirkulieren läßt.
  9. 9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden An-Sprüche, gekennzeichnet durch einen Kessel zum Umschließen einer Dampf-Kohle-Reaktionszone, durch dem Kessel zugeordnete Mittel zur Zuführung der Kohle in diese Zone, durch dem Kessel zugeordnete Mittel zur Einführung von Dampf in diese Zone, durch mindestens eine Gaszelle zur Umwandlung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff durch elektrochemische Reaktion in elektrische Energie und Warme, die in diesem Kessel in Wärmeaustausch mit der Dampf-Kohlen-Reaktionszone
    angeordnet ist, durch Mittel zum Zirkulierenlassen eines sauerstoffhaltigen Gases in innigem Kontakt mit einer Elektrode einer solchen Gaszelle, durch Mittel zumZirkulierenlassen des gasförmigen Produktes aus der Dampf-Kohle-Reaktionszone in innigem Kontakt mit der anderen Elektrode einer solchen Zelle und durch mit den Gaszellen verbundene Mittel zur Ableitung der erzeugten elektrischen Energie.
    Hierzu ι Blatt Zeichnungen
    © 9517 4.54
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