DE102004033348A1 - Verfahren nach dem Joule-Prozess, Verfahren zur indirekten Beheizung eines allothermen Reaktors und Gasturbinenanlage - Google Patents

Verfahren nach dem Joule-Prozess, Verfahren zur indirekten Beheizung eines allothermen Reaktors und Gasturbinenanlage

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    • F02C6/18Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas- turbine plants for special use using the waste heat of gas-turbine plants outside the plants themselves, e.g. gas-turbine power heat plants

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Joule-Prozess, mindestens bestehend aus den Prozessschritten
· Verdichtung eines sauerstoffhaltigen Gases,
· Erhitzung des sauerstoffhaltigen Gases durch teilweise Oxidation (exotherme Reaktion),
· Entspannung des erhitzten Gases,
wobei in der Phase der Erhitzung über einen Wärmetauscher Wärme zur Beheizung von Prozessen entnommen wird.

Description

  • Kurzfassung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Joule-Prozess, ein Verfahren zur indirekten Beheizung eines allothermen Reaktors und eine Gasturbinenanlage.
  • Stand der Technik – allothermen Reaktor
  • Allotherme Reaktoren (21) sind dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Aufrechterhaltung der Reaktionen extern beheizt werden müssen (6). Die Reaktionen laufen in der Regel bei Temperaturen oberhalb von 600 – 800 °C ab, so dass die Beheizung oberhalb dieser Temperaturen stattfinden muss. Sofern die Beheizung durch die Verbrennung von brennbaren Stoffen erfolgt, haben die Rauchgase am Ende der Verbrennung noch eine Temperatur, die oberhalb der Arbeitstemperatur im zu beheizenden Reaktor liegt. Die Abgase enthalten dann noch einen erheblichen Teil an nutzbarer Energie. Die Effizienz der Beheizung ist daher zunächst durch die hohe Abgastemperatur reduziert.
  • Eine Erhöhung der Effizienz lässt sich bekanntermaßen erreichen, indem man einen Teil der Abwärme aus dem Abgas nutzt, um über Wärmetauscher die Verbrennungsluft vorzuwärmen. Diese Verfahren ist hinlänglich bekannt und bedarf keiner näheren Erläuterung. Probleme treten hier jedoch dann auf, wenn durch die Verbrennungstechnologie (z.B. Pulsbrenner) oder maximal zulässige Werkstoffbelastungen die Vorwärmung der Verbrennungsluft auf eine bestimmte, maximale Temperatur beschränkt ist.
  • Stand der Technik – Vergasung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe mit Hilfe von Wasserdampf
  • Die Vergasung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe wird in aller Regel für Brennstoffe durchgeführt, die aufgrund ihrer chemischen Schadstoffanteile oder sonstiger physikalischer Eigenschaften (z.B. Aschegehalt) zur Nutzung in Gasturbinen oder Verbrennungsmotoren nicht geeignet sind. Durch die Vergasung werden sie in einen Zustand überführt, in dem sie in diesen hocheffizienten Arbeitsmaschinen nutzbar sind.
  • Am Markt wird derzeit zur Bereitstellung von Brennstoffen für Gasturbinen nahezu ausschließlich die Flugstromvergasung mit Sauerstoff eingesetzt. Hierfür ist ein erheblicher Aufwand zur Abtrennung des Sauerstoffs aus der Luft erforderlich. Durch die Vergasung mit Sauerstoff wird bereits ein Teil der im Brennstoff enthaltenen, chemisch gebundenen Energie in fühlbare Rauchgaswärme umgesetzt. Das Wirkungsgradpotential für die Nutzung fester Brennstoffe in der Gasturbine liegt somit – verfahrenstechnisch bedingt – immer maßgeblich unter dem Potential von Erdgas oder anderen, direkt für die Gasturbine geeigneten Brennstoffen.
  • In der Offenlegungsschrift DE 199.48.332 wird ein Vergaser für kohlenstoffhaltige Stoffe in der Bauart einer zirkulierenden Wirbelschicht offenbart, der extern beheizt wird. Die Beheizung bei der Vergasung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe mit Wasserdampf ist sehr aufwendig, da eine erhebliche Wärmemenge in den Reaktor eingebracht werden muss. Diese beträgt in der Regel zwischen 20 und 50 % des Heizwertes des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs. Es ist somit eine erhebliche Fläche zur Wärmeübertragung erforderlich. Die Fläche wird bestimmt durch
    • • die zu übertragende Wärmemenge
    • • die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz, damit auch die Temperaturdifferenz am Ende des Wärmetauschers
    • • den Wärmedurchgangskoeffizienten von der wärmeabgebenden zur wärmeaufnehmenden Seite
  • Einige Überlegungen zu möglichen Bauformen scheiterten aufgrund der Probleme des Wärmeeintrags bzw. der zu großen Wärmetauschflächen im Vergleich zum Reaktorvolumen.
  • Ziel jeder technischen Entwicklung ist es, diese erforderliche Fläche für die Wärmeübertragung zu reduzieren. Dies geschieht bislang durch folgende Maßnahmen:
    • • Die zu übertragende Wärmemenge ist prozesstechnisch bedingt. Es wird jedoch angestrebt, die eintretenden Medien (Luft in die Verbrennung und Dampf in den Reformer) möglichst gut vorzuwärmen.
    • • Um die Wärmetauschfläche zu begrenzen, nimmt man derzeit hohe Austrittstemperaturen und hohe Temperaturunterschiede in Kauf.
    • • Zur Verbesserung des Wärmedurchgangskoeffizienten wählt man auf der Reaktorseite stets eine Wirbelschicht, die hohe Wärmeübergangszahlen ermöglicht. Auf der Beheizungsseite wählt man entweder eine pulsierende Verbrennung ( US 5,059,404 ) oder ebenfalls eine Wirbelschicht ( DE 199 00 116 ).
    • • Zur Entkopplung geometrischer Zwänge werden Wärmerohre (Heat-Pipes) für die Wärmeübertragung eingesetzt ( DE 199 00 116 ).
  • Gegenstand der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Beheizung von Prozessanlagen, insbesondere von allothermen Reaktoren, zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 7, 17 und 24 gelöst.
  • Die Erfindung löst die Beheizungsprobleme allothermer Reaktoren, im speziellen von Wasserdampfvergasern für kohlenstoffhaltige Brennstoffe, durch eine Kombination verschiedener Verfahren. Damit beschreitet die Erfindung grundsätzlich neue Wege.
  • Für die Reaktorseite kann – wie üblich – eine Wirbelschicht eingesetzt werden, obwohl dies nicht zwingend erforderlich ist.
  • Auf der Beheizungsseite wird eine Verbrennung von brennbaren Stoffen in einem sauerstoffhaltigen Gas durchgeführt. Wärmetauscher, die in diesem Rauchgasstrom angeordnet sind, besitzen üblicherweise einen verhältnismäßig niedrigen Wärmeübergangskoeffizient. Der Wärmeübergangskoeffizient wird dadurch erhöht, dass die Verbrennung im sauerstoffhaltigen Gas unter Druck erfolgt. Durch die Druckaufladung wird – bei gleicher Gasgeschwindigkeit – der Wärmeübergangskoeffizient erhöht. Zusätzlich kann der Wärmetauscher wahlweise zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung mit Rippen versehen sein.
  • Die Abgastemperatur am Ende der Beheizung soll möglichst hoch sein, um die Wärmetauschflächen zu reduzieren. Da die Verbrennung unter Druck erfolgt, erfordert sie vor der Verbrennung eine Verdichtung des sauerstoffhaltigen Gases, ermöglicht jedoch hinterher auch eine Entspannung. Aus diesem Prozess, der als Joule- oder Gasturbinenprozess bekannt ist, lässt sich mechanische Arbeit gewinnen. Er bringt umso höhere Wirkungsgrade, je höher die Eintrittstemperatur der Gase in den Entspannungsteil des Prozesses ist. Die Zielsetzung einer möglichst hohen Abgastemperatur am Ende des Wärmetauschers wird daher durch die Kopplung mit der Druckaufladung in sehr effizienter Weise gelöst.
  • Der Wärmetauscher kann in allen bekannten Technologien ausgeführt sein. Neben Rohrbündelwärmetauschern bieten sich jedoch auch Heat-Pipes für die Wärmeübertragung an.
  • Verfahrenstechnisch ergeben sich durch diese Erfindung erhebliche Vorteile:
    • • Gasturbinen arbeiten in der Regel mit sehr hohem Luftüberschuss, in der Regel zwischen 3 und 4. Es ist daher möglich, in der Brennkammer durch Zugabe zusätzlichen Brennstoffs zusätzliche Wärme freizusetzen, sofern diese vor Eintritt in die Gasturbine aus der Brennkammer abgeführt wird. Unter Vernachlässigung dieses Wärmestroms in die und aus der Brennkammer ergibt sich ein – theoretisch – unveränderter Wirkungsgrad des Gasturbinenprozesses.
    • • Die Beheizung des Reformers erfolgt durch den zusätzlich in die Brennkammer der Gasturbine eingebrachten Brennstoff. Da diese zusätzlich eingebrachte Wärme – theoretisch – vollständig zur Beheizung des Reformers verwendet wird, ergibt sich für die Beheizung ein Wirkungsgrad von nahezu 100 %.
    • • Die Gasturbineneintrittstemperatur liegt in aller Regel deutlich über der Arbeitstemperatur allothermer Vergaser, so dass die Austrittstemperatur des Beheizungsmediums aus dem Wärmetauscher nahezu bedeutungslos wird.
    • • Aus der Abwärme der Gasturbine lässt sich, wie bereits jetzt üblich, Dampf erzeugen, der zum einen in einem Dampfprozess, zum anderen als Vergasungsmedium genutzt werden kann.
    • • Die Erzeugung brennbarer Gase aus kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen erfolgt durch Kopplung der Prozesse mit einem sehr hohen Wirkungsgrad. An Verlusten verbleiben im wesentlichen die – relativ kleinen – fühlbaren Wärmemengen aus der Restaufheizung der Medien im Reaktor sowie aus der Abkühlung und Reinigung der erzeugten Brenngase vor der Nutzung.
    • • Nutzt man die brennbaren Gase in der Gasturbine, so ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad für den Prozess, der nur mehr unwesentlich unter dem Wirkungsgrad liegt, der sich heute bei Einsatz von Brennstoffen ergibt, die per se für den Einsatz in Gasturbinen geeignet sind.
    • • Die Erfindung erschließt feste Brennstoffe für den Gasturbinenbetrieb, ohne hierbei erhebliche verfahrenstechnische Aufwendungen oder erhebliche Wirkungsgradeinbußen zu erleiden.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Luft wird aus der Umgebung angesaugt (1) und in einem Verdichter (2) komprimiert. Die komprimierte Luft (3) wird in eine Brennkammer (4) geleitet und dort mit Brenngas (28) beaufschlagt, so dass zumindest ein Teil des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs mit dem Brenngas unter Abgabe von Wärme reagiert. Aus der Brennkammer treten Rauchgas (5) aus und gelangen in einen Wärmetauscher (6), der mit einem allothermen Reaktor (21) verbunden ist. Die Brennkammer kann in mehrere Sektionen mit zwischengeschalteten Wärmetauschern unterteilt sein. Der Wärmetauscher (6) überträgt zumindest einen Teil der in der Brennkammer (4) freigesetzten Energie an den allothermen Reaktor (21). Der Wärmetauscher (6) kann beispielsweise durch eine Heat-Pipe realisiert werden, wie sie z.B. in Patentschrift DE 199.00.116 erwähnt ist.
  • Die Rauchgase können nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher in einer weiteren Brennkammer (8) noch einmal durch Zugabe eines weiteren Brenngasstroms (29) aufgeheizt werden (9), bevor sie dann in einer Turbine (10) entspannt und an die Umgebung abgegeben werden (11).
  • Die in der Turbine freiwerdende mechanische Energie wird bevorzugt über eine direkte Kopplung (12) an den Verdichter (2) abgegeben, der verbleibende Überschuss über eine Welle (13) entnommen. Der Haushalt der mechanischen Energie ist für die Erfindung jedoch ohne Belang.
  • Im allothermen Reaktor (21) wird Brennstoff zugegeben (23), der für eine direkte Nutzung in der Gasturbine nicht geeignet ist, und mit Hilfe eines Vergasungsmittels (22), bevorzugt Wasserdampf mit Hilfe der über den Wärmetauscher (6) eingetragenen Wärme in ein brennbares Gas (24) umgewandelt. Der in der Offenlegungsschrift DE 199 48 332 offenbarte Vergaser eignet sich in doppelter Weise für die Kopplung mit der Gasturbine.
  • Das Gas kann über eine nicht näher erläuterte Vorrichtung zur Gasreinigung (25) nochmals chemisch und physikalisch gereinigt werden. Hierzu können auch Substanzen dem Gasstrom zugegeben (z.B. Wasserdampf für die Shift-Reaktion) oder abgezogen (z.B. Staub) werden.
  • Ebenso kann in diesem Reinigungsbereich dem Prozess noch einmal Wärme zugeführt oder entzogen werden.
  • Das gereinigte Produktgas (26) kann dann der oder den Brennkammern (4, 8) der Gasturbine zugeführt (28, 29) oder einer fremden Nutzung (30) zugeführt werden. Bevorzugt wird der Reaktor oberhalb des Druckes der Brennkammern der Gasturbine betrieben. Das Brenngas kann jedoch zur Druckerhöhung auf das Druckniveau der Brennkammern der Gasturbine über einen Verdichter (27) komprimiert werden, sofern der Druck im Vergaser unterhalb des Drucks der Brennkammern liegt oder die Druckverluste bis zur Brennkammer zu hoch sind.
  • Die Erfindung hat also die Kopplung einer Gasturbine (113) mit einem allothermen Reaktor (21) zur Herstellung brennbarer Gase (2426) zum Gegenstand. Die zu Beheizung des allothermen Reaktors erforderliche Wärme wird in der Brennkammer der Gasturbine (4) bereitgestellt und über einen Wärmetauscher (6) übertragen. Die im Reaktor erzeugten brennbaren Gase (24) werden zumindest teilweise zur Beheizung der Gasturbine genutzt (28, 29).
  • Insgesamt ergibt sich
    • • eine Steigerung der Effizienz der Beheizung allothermer Reaktoren und
    • • eine Steigerung des Wirkungsgradpotentials von Gasturbinenprozessen beim Einsatz fester Brennstoffe.

Claims (27)

  1. Verfahren nach dem Joule-Prozess, mindestens bestehend aus den Prozessschritten • Verdichtung eines sauerstoffhaltigen Gases (2), • Erhitzung des sauerstoffhaltigen Gases durch teilweise Oxidation (exotherme Reaktion) (4), • Entspannung des erhitzten Gases (10), dadurch gekennzeichnet, dass in der Phase der Erhitzung (4, 8) über einen Wärmetauscher (6) Wärme zur Beheizung von Prozessen (21) entnommen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer die Erhitzungsphase in einen ersten Teil zur Bereitstellung der Prozesswärme (4) und in einen zweiten Teil zur Einstellung der Eintrittstemperatur in den Entspanner (8) aufgeteilt ist.
  3. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme zur Beheizung eines allothermen Reaktors (21) entnommen wird.
  4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktor (26) brennbare Gase (24) aus kohlenstoffhaltigen Brennstoffen erzeugt werden.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugten brennbaren Gase (24) ganz oder teilweise in der Beheizungsphase der Gasturbine (28, 29) eingesetzt werden.
  6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Vergaser erzeugten brennbaren Gase ganz oder teil weise in der Beheizungsphase der Gasturbine (28) für die Bereitstellung der Wärme zur Beheizung von Prozessen eingesetzt werden.
  7. Verfahren zur indirekten Beheizung eines allothermen Reaktors, bei dem die erforderliche Wärme durch eine exotherme Reaktion bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Verbrennung erforderliche sauerstoffhaltige Gas (1) zuvor komprimiert (3) wurde.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die erforderliche Wärme durch eine exotherme Reaktion bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Verbrennung erforderliche sauerstoffhaltige Gas (1) durch einen Verdichter (2) komprimiert wurde.
  9. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Verbrennung entstehenden Abgase entspannt werden.
  10. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase in einer Turbine (10) unter Abgabe mechanischer Arbeit (12, 13) entspannt werden.
  11. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck bei der Verbrennung (4, 8) niedriger ist als der Druck im allothermen Reaktor (21).
  12. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die im allothermen Reaktor (21) erzeugten brennbaren Gase (24) ganz oder teilweise als Brenngas in einer Brennkammer (4, 8) eingesetzt werden.
  13. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die im allothermen Reaktor erzeugten brennbaren Gase (24) vor der Nutzung als Brenngas (28, 29) einer chemischen oder physikalischen Reinigung (25) unterzogen wurden.
  14. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die im allothermen Reaktor erzeugten brennbaren Gase (24) vor der Nutzung als Brenngas (28, 29) verdichtet werden (27).
  15. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der allotherme Reaktor (21) ein Vergaser ist.
  16. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der allotherme Reaktor (21) ein Vergaser ist, in dem Wasserdampf als Vergasungsmedium eingesetzt wird.
  17. Verfahren nach dem Joule-Prozess, mindestens bestehend aus den Prozessschritten • Verdichtung eines sauerstoffhaltigen Gases (2), • Erhitzung des sauerstoffhaltigen Gases durch teilweise Oxidation (exotherme Reaktion) (4), • Entspannung des erhitzten Gases (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung in einer Brennkammer mit Wärmeauskopplung (4, 6) erfolgt, wobei die ausgekoppelte Wärme zumindest zum Teil zur Beheizung eines allothermen Reaktors (21) verwendet wird, in dem die zur Erhitzung der Brennkammer erforderlichen Brenngase (28, 29) teilweise oder ganz hergestellt werden.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der allotherme Reaktor (21) im Reaktionsteil als stationäre Wirbelschicht ausgebildet ist.
  19. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der allotherme Reaktor (21) im Reaktionsteil als zirkulierende Wirbelschicht ausgebildet ist.
  20. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung des allothermen Reaktors (21) im wesentlichen im Reaktionsbereich erfolgt.
  21. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung des allothermen Reaktors (21) im wesentlichen außerhalb des Reaktionsbereichs erfolgt.
  22. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 21, bei dem ein Teil (30) der erzeugten brennbaren Gase (24) zur Herstellung von Wasserstoff oder synthetischer Kohlenwasserstoffe verwendet wird.
  23. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 22, bei der als Brennstoff (23) feste, flüssige, pastöse oder sonstige für die direkte Beheizung einer Gasturbine nicht geeignete Stoffe, bevorzugt biogener Herkunft, eingesetzt werden.
  24. Gasturbinenanlage mit • einem Verdichter, • einer Brennkammer und • einer Turbine, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer einen Wärmetauscher aufweist, der zur Beheizung einer Prozessanlage mit dieser verbunden ist.
  25. Gasturbinenanlage nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessanlage einen allothermen Vergaser umfasst.
  26. Gasturbinenanlage nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der allotherme Vergaser zur Zuführung brennbarer Gase mit der Brennkammer verbunden ist.
  27. Gasturbinenanlage nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher durch eine Heat-Pipe ausgebildet ist.
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