NL8502863A

NL8502863A - Werkwijze voor het opwekken en terugwinnen van proceswarmte en inrichting voor het toepassen van deze werkwijze.

Info

Publication number: NL8502863A
Application number: NL8502863A
Authority: NL
Original assignee: Klaus Knizia Prof Dr Ing
Priority date: 1985-02-02
Filing date: 1985-10-21
Publication date: 1986-09-01
Also published as: DE3503610A1; GB8526053D0; ZA859762B; FR2577034A1; JPS61184301A; GB2170898A; AU4928185A

Description

I * ;......... * i VO 7428

Werkwijze voor het opwekken en terugwinnen van proceswarmte en inrichting voor het toepassen van deze werkwijze.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het opwekken en terugwinnen van proceswarmte door middel van warmte-uitwisselaars en inrichting voor het toepassen van deze werkwijze.

Voor een reeks bedrijfs-technische problemen, zoals ook het ver-5 gassen van steenkool met lucht of zuurstof onder toevoer van waterdamp, de gasomzetting, bijvoorbeeld de splitsing van methaan in een mengsel van koolmonoxyde en waterstof, evenals het splitsen van water door ther-mochemische methoden of de elektrolyse bij hoge temperatuur, is het nodig de toe te voeren materialen, zoals lucht, zuurstof of andere gassen en 10 waterdamp op hoge temperaturen voor te verwarmen.

Zo betreft het bijvoorbeeld bij het vergassen van steenkool langs oxydatieve weg een endotherm proces met onderstoechiometrische verbranding. Deze oxydatieve vergassing kan daarbij met lucht op zuurstof onder toevoer van waterdamp plaatsvinden. De bij het vergassen vereiste hoge 15 temperaturen kunnen of alleen door een gedeeltelijke verbranding van de . steenkool of echter door een gedeeltelijke verbranding van de steenkool en een voorverwarming van de voor het vergassen vereiste lucht respectievelijk' de zuurstof en de extra toe te voeren waterdamp worden verkregen. Een hoge voorverwarmingstemperatuur voor de lucht respectievelijk 20 de zuurstof en voor de waterstof begunstigen het kinetische karakter van de reactie.

Een dergelijke hoge voorverwarmingstemperatuur van lucht, zuurstof, andere gassen en waterdamp kan worden verkregen, wanneer een deel van het bij het vergassen van de steenkool gevormde gas wordt verbrand 25 om lucht-, zuurstof- of gasvoorverwarmers en stoomoververhitters te verwarmen. Dit deel van het gevormde gas gaat natuurlijk verloren voor andere processen, zodat de vergassingsinstallatie niet slechts voor een bepaalde hoeveelheid produktgas, doch bovendien ook voor het vormen van het voor de voorverwarming vereiste verbrandingsgas moet zijn gedimen-30 sioneerd.

Tussen de vergassingsinstallatie en de voorverwarmingsinstallatie zijn bovendien leidingen voor de voorgewarmde lucht resp. de voorgewarmde ' “ - ? s R 1

_ Jb J ^ J

s -2- zuurstof en de oververhitte waterdamp nodig. In deze leidingen treden drukverliezen, warmteverliezen en thermische uitzettingen op, welke afhankelijk zijn van de debieten en drukken en een grote hoeveelheid materiaal vereisen. Daarbij komt nog de voor de leidingen vereiste plaats-5 ruimte.

Iets soortgelijks verkrijgt men bijvoorbeeld bij de gasomzetting van methaan in koolmonoxyde en waterstof, terwijl bij het splitsen van water de vereiste reactie-energie van buitenaf moet worden toegevoerd. Voor alle drie de gevallen geldt, dat de toevoer van warmte op een hoog 10 temperatuurniveau het probleem vergemakkelijkt of zelfs pas mogelijk maakt.

De uitvinding stelt zich derhalve ten doel een werkwijze en een inrichting voor het opwekken en terugwinnen van proceswarmte te verschaffen, waarmede het mogelijk is warmte op een hoog temperatuurniveau met 15 geringe druk- en thermische verliezen evenals zonder speciale apparaten te transporteren, waarbij het rendement bij het opwekken en terugwinnen van de proceswarmte en van het betreffende proces zelf zo hoog mogelijk dient te liggen.

. Dit probleem wordt bij een werkwijze van het bovenbeschreven 20 type opgelost door het gebruik van een bij een geringe druk tot hoge temperaturen vloeibare warmtedrager, bij voorkeur natrium, welke een grote warmtecapaciteit en een grote warmtegeleiding bezit. Het natrium. kan in een gesloten circuit warmte met hoge temperatuur vanuit een bron opnemen en bij geringe druk grote hoeveelheden warmte in leidingen met 25 een kleine dwarsdoorsnede transporteren en deze in warmte-uitwisselaars afgeven aan de toe te voeren stoffen. Aangezien natrium bij ongeveer 100°C vloeibaar wordt en bij de omgevingsdruk pas bij ongeveer 890°C kookt, kan het natrium warmte binnen dit temperatuurgebied in een af-gezien van wrijvingsverliezen drukloos circuit overdragen zonder dat een 30 faseverandering plaatsvindt. Bovendien neemt de verzadigingstemperatuur van het natrium bij toenemende druk steil toe, zodat het natrium ook warmte met hoge temperaturen bij relatief lage druk in vloeibare toestand kan overdragen (b.v. 1000°C bij ongeveer 2,7 bar). Geringe gelei-dingsdwarsdoorsneden en geringe drukken maken bij het gebruik van natrium 35 de thermische uitzettings-, isolatie- en materiaalproblemen bij trans-portafstanden, zoals deze bij de betreffende methoden in de industie op- 0 2 8 S 3 -3- treden, voor de warmte bij een hoog temperatuurniveau oplosbaar.

Bij voorkeur geschiedt het verwarmen van lucht-/ zuurstof- of andere gasvoorverwarmers en een stoomoververhitter door een warmtebron, zoals de rookgasstroom van een stookinstallatie of de heliumgasstroom 5 van een reactor bij hoge temperatuur. Wanneer de rookgasstroom van een stookinstallatie als warmtebron wordt gekozen, dan verkrijgt men het voordeel, dat boven de daaruit met behulp van het natriumcircuit in de steenkoolvergassings-, gasomzet- en watersplitsingsinstallaties toegevoerde warmte willekeurige brandstoffen - ook met lage kwaliteit - kun-10 nen worden toegepast. Wanneer de warmte wordt onttrokken aan de heliumgasstroom van een reactor bij hoge temperatuur, dan wordt nucleaire warmte in de methode gebruikt.

Wanneer het vergassen plaatsvindt met lucht dan bereikt het gevormde produktgas met de hoge voorverwarmingstemperatuur van de lucht 15 en de overeenkomstige oververhitting van de waterdamp een hogere ver-warmingswaarde aangezien de hoeveelheid warmte voor het voorverwarmen van de lucht en voor het oververhitten van de waterdamp niet door de onderstoechiometrische verbranding in de vergassingsinstallatie wordt vrijgemaakt en dientengevolge het tot dit deel van de verbrandingslucht 20 behorende stikstofaandeel niet wordt gebruikt bij het vergassingsproces. Een overdracht van de warmte direkt vanuit de rookgassen respectievelijk vanuit het helium naar de gassen en de waterdamp bij de gasopwek- en gas-omzetinstallaties kan niet direkt plaatsvinden aangezien de grote volume-stromen door grote warm wordende en drukvoerende kanaalsysternen moeten 25 worden gevoerd, waarvan de thermische uitzettings-, isolatie- en vast-heidsproblemen niet zouden kunnen worden opgelost en voor het aanbrengen waarvan niet voldoende plaats ter beschikking zou staan.

Aangezien bij het steenkoolvergassen, de gasomzetting en de watersplitsing hoge temperaturen in de produktgassen optreden kan de 30 daari n aanwezige voelbare warmte bovendien door produktgas-natrium-warmte-uitwisselaars in aansluiting op de steenkoolvergassings-, gasomzet- en watersplitsingsinstallaties evenals met door het verhitten natrium-gevoede procesluchtvoorverwarmers en procesdampgeneratoren resp.

c -oververhitters en door dergelijke gasvoorverwarmers worden gebruikt.

35 Het is ook denkbaar, dat bij met elkaar gekoppelde processen,' bijvoorbeeld de steenkoolvergassing met zuurstof en waterdamp en de a - - t Λ

c . ‘ ► « V'* JS

* „.a W v V

-4- O ï: watersplitsing, via het natriumcircuit ook proceswarmte tussen deze processen wordt uitgewisseld.

Bij een inrichting voor het toepassen van de werkwijze wordt een rookgassen-natrium-warmteuitwisselaar in de stookruimte van een damp-5 generator of in de heliumgasstroom van een reactor met hoge temperatuur opgesteld en wordt aan een procesluchtvoorverwarmer en/of procesdampover-verhitter en/of andere gasverhitters het verhitte natrium toegevoerd.

In de stookruimte van een stoomgenerator staat een voldoende hoeveelheid warmte op een hoog temperatuurniveau voor het voorverwarmen 10 van de lucht resp. de zuurstof en het oververhitten van de procesdamp ter beschikking aangezien hier temperaturen ver boven de 1000°C optreden. De rookgassen-natrium-warmteuitwisselaar kan in de stookruimte van de stoomgenerator in een voor de warmte-uitwisselaar gunstig punt zijn opgesteld, terwijl sterk belaste delen van de stookruimte van de stoom-15 generator evenals door water worden gekoeld en derhalve een aanmerkelijk lagere wandtemperatuur bezitten.

Het voordeel is verder, dat aan de bij het stoken van de stoomgenerator gebruikte brandstoffen geen speciale kwaliteitseisen behoeven te worden gesteld, zodat via het natriumcircuit ook warmte bij de steen-20 koolvergassing kan worden gebruikt, welke afkomstig is uit een brandstof, die mogelijkerwijs voor een steenkoolvergassing niet of slechts weinig geschikt is.

Daarbij komen nog de grote warmtecapaciteit van het natrium en de geringe stroomweerstand daarvan in vloeibare toestand, welke natrium 25 voor een warmte-overdracht bij hoog temperatuurniveau over grote afstanden bijzonder geschikt maken, zoals deze tussen een stoomgenerator en een steenkolen-ont- resp. -vergassingsinstallatie optreden. Een dergelijke warmte-overdracht door middel van grote gasstromen, is in verband met de ten gevolge van de thermische uitzetting en isolatie optredende 30 moeilijkheden, in verband met het drukverlies in de gasstromen en in verband met het materiaalgebruik voor de kanalen resp. leidingen niet geschikt.

De grote warmtegeleiding van het natrium daarentegen en het druk-loos of bij een geringe druk bedreven warmte-overdrachtcircuit daarvan 35 maken de constructie van warmte-uitwisselaars mogelijk, welke slechts geringe drukverliezen in de te verwarmen lucht-, stoom- of gasstromen ^ ‘,U ö ö ü s Λ -5- bewerkstelligen.

Aangezien bij het vergassen van steenkolen in een gasomzetinstal-latie en/of een watersplitsingsinstallatie hoge temperaturen optreden, kan de in het produktgas aanwezige, voelbare warmte volgens de uitvin-5 ding door een produktgas-natrium-warmteuitwisselaar in aansluiting op de steenkolenvergassingsinstallatie en/of de gasomzetinstallatie en/of de watersplitsingsinstallatie en een met het verhitte natrium gevoede processtoomgenerator en/of procesluchtvoorverwarmer worden gebruikt.

De uitvinding zal hierna onder verwijzing naar een in de teke-10 ning in de vorm van een blokschema afgebeeld uitvoeringsvoorbeeld nader worden toegelicht.

Bij het uitvoeringsvoorbeeld betreft het een met een stoom-centrale gekoppelde steenkolenvergassingsinstallatie. In een maalinstal-latie 1 wordt poederkool gevormd, welke wordt toegevoerd aan een ver-15 gassingsreactor 2. Uit de vergassingsreactor 2 wordt het produktgas via een produktgasleiding 3 afgevoerd. De voor het vergassen vereiste lucht wordt door middel van een verdichter 4 in een procesluchtleiding 5 geperst en stroomt in de vergassingsreactor 2. In procesleiding 5 bevindt zich een procesluchtvoorverwarmer 6, waaraan door een natriumcircuit 7, 20 dat van een natriumcirculatiepomp 8 is voorzien, warmte wordt toegevoerd.

De voor het vergassen vereiste waterdamp wordt opgewekt in een processtoomgenerator 22, waaraan via een pomp 23 en een leiding 24 voedings-water wordt toegevoerd. Wanneer de processtoomgenerator 22 met stoom wordt gevoed, dan werkt de inrichting als een processtoomoververhitter.

25 Het natrium neemt de warmte in een natriumverhitter 9 uit de rookgassen van de stookinrichting 10 van een stoomgenerator 11 op.

De in een verdamper 13 van de stoomgenerator gevormde stoom wordt eerst door een oververhitter 14 gevoerd en bereikt dan een stoomturbine 16 met een hoge-drukdeel en een lage-drukdeel. De stoomturbine 30 16 drijft een generator 12 aan. Tussen het hoge-drukdeel en het lage- ''' - drukdeel van de stoomturbine 13 bevindt zich een tussenoververhitter 15.

Op de stoomturbine 16 bevinden zich aftakkingen 15, welke voor het voorverwarmen van het voedingswater in een voedingswatervoorverwarmer 19 dienen. De uit de stoomturbine 13 tredende stoom wordt in een condensor 35 17 gecondenseerd, door middel van een condensaatpomp 18 in de voedings- watervoorverwarming 19 geperst en door middel van een voedingswaterpomp 20 naar de stoomgenerator 11 geleid.

' 0 ; S 3 3

1 Γ' V

* -6-

Het natriumcircuit 7 neemt echter ook de in het produktgas aanwezige warmte in een warmte-uitwisselaar 21 op om deze warmte tezamen met de warmte uit de natriumverhitter 9 in de luchtvoorverwarmer 6 en de processtoomgenerator 22 weer af te geven- In het blokschema zijn de 5 natriumverhitter 9 in de stoomgenerator 11 en de warmte-uitwisselaar 21 waaraan natrium wordt toegevoerd, in de produktgasstroom parallel verbonden, evenals de luchtvoorverwarmer 6 en de processtoomgenerator 22.

Afhankelijk van de optredende hoeveelheden warmte en temperaturen 10 kunnen serieschakelingen bij deze warmte-uitwisselaars worden gebruikt.

In plaats van de warmtebron, welke in de stookinstallatie 12 door het verbranden van steenkolen wordt gevoed, kan ook een reactor met hoge temperatuur treden, waarin de warmte door kernreacties wordt vrijgegeven en via een heliumcircuit naar de natriumverhitter 9 wordt 15 overgedragen.

De steenkolenvergassingsinstallatie 2 wordt bij een vergassing met zuurstof in plaats van met lucht via de compressor 4 en de leiding 5 gevoed met zuurstof, welke in de voorverwarmer 6 wordt verwarmd.

In plaats van de steenkolenvergassingsinstallatie 2 kan ook een 20 gasomzet- of watersplitsingsinstallatie treden. In dat geval wordt de steenkolentoevoer uit de maalinrichting 1 geëlimineerd. In plaats daarvan worden bij de gassplitsingsinstallatie methaan en bij de watersplitsingsinstallatie stoom of andere chemische stoffen door het natriumcircuit tot hoge temperaturen voorverwarmd.

25 Met de werkwijze en de inrichting volgens de uitvinding is het mogelijk warmte op een zeer hoog temperatuurniveau uit in normale stook-installaties verbrande steenkolen of uit de kernsplitsing in reactoren met hoge temperatuur op een economische en technisch uitvoerbare wijze over door de grootte van de installatie bepaalde afstanden in instal-30 laties te transporteren, waarin processen worden uitgevoerd, die endo-therm en bij hoge temperaturen verlopen. Daartoe behoren de steenkolenvergassing, de gasomzetting en de watersplitsing. Met het natriumcircuit volgens de uitvinding kunnen deze methoden op een grote technische schaal worden uitgevoerd.

' ' ·. _··> «x ·.’ .. .> 'J 3

Claims

1- Werkwijze voor het opwekken en terugwinnen van proceswarmte door middel van warmteuitwisselaars, gekenmerkt door een warmte-uitwisselaar met een bij geringe drukken tot hoge temperaturen vloeibare warmtedrager.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, gekenmerkt door het gebruik van natrium als warmtedrager.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de proceswarmte uit de rookgassenstroom van een stookinstallatie wordt afgevoerd.

4. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de proceswarmte uit de heliumgasstroom van een reactor bij hoge temperatuur wordt afgevoerd.

5. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de proceswarmte uit de produktgasstroom van een steenkolenvergassings- 15 installatie wordt teruggewonnen.

6. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de produktwarmte uit de produktgasstroom van een gasomzettingsinstallatie wordt teruggewonnen.

7. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de 20 proceswarmte uit de produktgasstroom van een watersplitsingsinstallatie wordt teruggewonnen.

8. Inrichting voor het toepassen van een werkwijze volgens de conclusies 3 en 4, gekenmerkt door een rookgassen-natrium-warmteuitwisselaar (9) in de stookruimte van een stoomgenerator of in de heliumgasstroom 25 van een reactor met hoge temperatuur, en een procesluchtvoorverwarmer (6) en/of procesdampoververhitter (22) en/of andere gasverhitters waaraan het verhitte natrium wordt toegevoerd.

9. Inrichting voor het toepassen van een werkwijze volgens de conclusies 5, 6 en 7, gekenmerkt door een produktgas-natrium-warmteuitwis- 30 selaar (1) in aansluiting op een steenkolenvergassingsinstallatie (2) en/of een gasomzettingsinstallatie en/of een watersplitsingsinstallatie, en een processtoomgenerator (22) en/of procesluchtvoorverwarmer (6) en/of andere gasverhitters waaraan verhit natrium wordt toegevoerd. , ··>. ** ***? ; s :> 3