DE102006036750A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vorbehandlung von Brennstoffen - Google Patents

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Abstract

Um die Brennfähigkeit und den Brennwert von Brennstoffen zu verbessern, werden diese verschiedenen Verfahren zur Vorbehandlung unterzogen. Um die Wirtschaftlichkeit der Vorbehandlung von Brennstoffen zu verbessern, wird vorgeschlagen, aus den Brennstoffen nicht brennbare, gasförmige Bestandteile zu entfernen und in einem Gasstrom einer weiteren Nutzung zuzuführen. Insbesondere wird der Gasstrom einem Verfahren zur Gaszerlegung unterworfen, durch das aus dem Brennstoff gewonnene Gaskomponenten in Reinform dargestellt werden können.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Vorbehandlung von Brennstoffen.
  • Es ist bekannt, Brennstoffe vor ihrer Verbrennung vorzubehandeln, um ihre Brenneigenschaften zu verbessern. So wird zum Beispiel Kohle vor der Verfeuerung mechanisch zerkleinert und anschließend erhitzt, um in der Kohle eingelagertes Wasser zu verdampfen.
  • Weitere, für die Verbrennung nicht förderliche Stoffe können nur mit einem hohen Aufwand aus dem Brennstoff entfernt werden. Die Kosten einer solchen Vorbehandlung übersteigen dabei häufig den durch die Verbesserung der Brenneigenschaften erreichten wirtschaftlichen Vorteil und werden daher nicht durchgeführt.
  • Aufgabe der Erfindung ist somit, eine wirtschaftlich vertretbare Möglichkeit zur weiteren Vorbehandlung von Brennstoffen anzugeben.
  • Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Vorbehandlung von Brennstoffen, bei dem aus dem Brennstoff vor seiner Verbrennung unbrennbare oder schwerbrennbare, gas- und dampfförmige Bestandteile abgetrennt und in einem Gasstrom einer weiteren Nutzung zugeführt werden.
  • Durch die Entfernung der gasförmigen Bestandteile wird der Brennwert des Brennstoffes erhöht und zugleich durch die weitere Nutzung der gasförmigen Bestandteile eine Synergie zwischen dem Verbrennungsprozess und der wirtschaftlichen Verwertung der gasförmigen Bestandteile hergestellt. Damit wird insgesamt die Wirtschaftlichkeit der Vorbehandlung von Brennstoffen erhöht. Als Brennstoffe werden hier alle Arten von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen verstanden, in denen gasförmige, nicht brennbare Bestandteile adsorbiert, eingelöst oder eingemischt sind; insbesondere zählen dazu fossile Energieträger wie Kohle, Erdöl, Erdgas oder Grubengas aber auch brennbare Abfallstoffe, die mit abtrennbaren Gasbestandteilen beladen sind, wie Müll, Klärschlämme o.ä.. All diese Brennstoffe enthalten in häufig nicht zu vernachlässigendem Umfang Gasbestandteile, die unmittelbar oder nach einer entsprechenden Aufbereitung einer wirtschaftlichen Verwertung zugeführt werden können. Sofern es sich um unbrennbare oder nur schwer brennbare Gasbestandteile handelt, führt ihre Entfernung in der Regel zugleich zu einer Verbesserung der Brennstoffqualität.
  • Bevorzugt wird ein Gasstrom mit den abgetrennten Bestandteilen beladen, der anschließend einem Verfahren zur Gaszerlegung unterworfen wird, um die aus dem Brennstoff abgetrennten Bestandteile gewinnen zu können. Bevorzugt kann hierzu eine bereits vorhandene Luftzerlegungsanlage eingesetzt werden, wobei der Gasstrom entweder als Teilstrom in den Eingangsstrom der Luftzerlegungsanlage eingespeist wird, oder der Eingangsstrom der Luftzerlegungsanlage wird im Ganzen als Gasstrom, der mit den gasförmigen Bestandteilen beladen wird, genutzt. Im Falle dass die Luftzerlegungsanlage räumlich weit entfernt vom Standort der Brennstoffvorbehandlung aufgestellt ist, kann der beladene Gasstrom auch in Behälter abgefüllt, mittels Transportfahrzeugen zur Luftzerlegungsanlage transportiert und anschließend in den Eingangsstrom der Luftzerlegungsanlage eingespeist werden.
  • Im Falle eines festen oder flüssigen Brennstoffs, wie beispielsweise Kohle oder Öl, erweist es sich als zweckmäßig, den Brennstoff zur Entfernung der gasförmigen Bestandteile einem Desorptionsprozess zu unterwerfen. Dazu wird der Brennstoff auf eine Temperatur erhitzt, bei der zumindest ein Teil der im Brennstoff adsorbierten gasförmigen Bestandteile desorbieren. Der Brennstoff wird anschließend mit einem Gasstrom, dem Desorptionsgas, in Kontakt gebracht, wobei der Gasstrom desorbierte gasförmige Bestandteile aufnimmt. Die Aufheizung des Brennstoffs kann dabei auch durch den Gasstrom erfolgen, der zuvor seinerseits entsprechend erwärmt worden ist. Der Gasstrom wird anschließend entweder direkt genutzt oder einzelne Bestandtele werden aus dem Gasstrom abgetrennt.
  • Im Falle eines gasförmigen Brennstoffs, wie beispielsweise Erdgas oder Grubengas, kommt ein an sich bekanntes Verfahren zum Einsatz um den Brennstoff von den unbrennbaren oder schwer brennbaren Bestandteilen zu trennen, beispielsweise ein Membranverfahren oder ein kryogenes Verfahren, bei welchem die abzutrennenden Bestandteile oder der Brennstoff aus dem Gasstrom auskondensiert werden bzw. wird. Alternativ kann der gasförmige Brennstoff unmittelbar oder nach Bemischung von Frischluft einer Gaszerlegung zugeführt werden.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in dem Gaszerlegungsverfahren gewonnener Sauerstoff zur Verbrennung des Brennstoffs eingesetzt wird. Hierdurch wird der Synergieeffekt zwischen der Abtrennung der gasförmigen Bestandteile und der Verbrennung weiter erhöht.
  • Bevorzugt wird ein Gas, das im Gaszerlegungsverfahren gewonnen wurde, dazu genutzt, die vom Brennstoff abgetrennten Bestandteile aufzunehmen. Beispielsweise kann hierzu Stickstoff eingesetzt werden, der bei der Gaszerlegung gewonnen wurde.
  • Eine weiter vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dem zur Aufnahme der gasförmigen Bestandteile bestimmten Gasstrom Abgas aus der Verbrennung des Brennstoffes zuzuführen. Das Abgas des Verbrennungsprozesses wird also, bevorzugt nach der Entfernung von Kohlendioxid, zumindest teilweise im Kreis geführt und dem Gasstrom zur Aufnahme der gasförmigen Bestandteile beigemischt oder als solcher eingesetzt. Im Falle eines der Behandlung fester oder flüssiger Brennstoffe kann die Wärme des Abgases zugleich zum Erhitzen des Brennstoffes eingesetzt werden. Zwar ist die Zerlegung von Abgasen zum Zwecke der Darstellung von Edelgasen bereits aus der EP 0 469 781 A2 bekannt, durch den erfindungsgemäßen Einsatz des Abgases zur Behandlung von Brennstoffen vor seiner Verbrennung kann jedoch die Ausbeute an Edelgas wesentlich erhöht werden.
  • Um die Synergieeffekte bei der Behandlung fester oder flüssiger Brennstoffe weiter zu erhöhen, wird vorzugsweise bei der Gaszerlegung und/oder dem Verbrennungsprozess anfallende Abwärme zur Aufheizung des Gasstroms und/oder des Brennstoffs genutzt.
  • Bevorzugt wird ein fossiler Brennstoff, wie Kohle, Erdöl, Erdgas oder Grubengas mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt.
  • Die wirtschaftlich verwertbaren, aus dem Brennstoff abtrennbaren Gasbestandteile umfassen neben Gasen wie Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlendioxid insbesondere Edelgase. Beispielsweise ist Helium in Erdgas und Argon in Grubengas enthalten. Die Ausbeute an Edelgasen bei der üblichen Zerlegung von reiner Luft ist jedoch gering, weshalb die Luftzerlegung in der Regel nicht zur Gewinnung von Edelgasen (mit Ausnahme von Argon) herangezogen wird. Indem es gelingt, diese wertvollen Bestandteile dem Brennstoff zu entziehen und in einer wirtschaftlich verwertbaren Form darzustellen, wird die Wirtschaftlichkeit der Vorbehandlung des Brennstoffs wesentlich erhöht.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zur Vorbehandlung von Brennstoffen gelöst, mit einer Einrichtung zum Abtrennen gasförmiger Bestandteile aus dem Brennstoff und mit einer Einrichtung zum Einspeisen der gasförmigen Bestandteile aus den Brennstoffen in den Eingangskanal einer Gaszerlegungseinrichtung. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden also gas- und dampfförmige Bestandteile, die im Brennstoff in adsorbierter, gelöster oder eingemischter Form vorliegen, mittels geeigneter Einrichtungen, beispielsweise Desorptionseinrichtungen, Stripper, Trennkolonnen, Kondensatoren oder Membrananlagen aus dem Brennstoff entfernt. Die gasförmigen Bestandteile bzw. ein mit den gasförmigen Bestandteilen beladene Gas wird anschließend, unverdünnt oder nach Beimengung von Frischluft, einem Verfahren zur Gaszerlegung unterworfen. Durch die Verwertung der dabei dargestellten Gase oder Gasgemische werden erhebliche Synergien mit dem Verbrennungsprozess gewonnen.
  • Vorzugsweise umfasst die Einrichtung zum Abtrennen der gasförmigen Bestandteile aus dem Brennstoff eine Desorptionseinrichtung, in der fester oder flüssiger Brennstoff erhitzt wird und dadurch gasförmige Bestandteile desorbieren. Die Desorptionseinrichtung ermöglicht die Anreicherung des Rohgases mit Edelgasen, die in der Trenneinrichtung anschließend in – im Vergleich zur reinen Lufttrennung – großen Mengen dargestellt und verwertet werden können.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Einrichtung zur Erzeugung von Wärme und/oder Strom vor, umfassend ein Kraftwerk, in dem Brennstoff mit Sauerstoff verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk mit einer Luftzerlegungseinrichtung zur Erzeugung von Sauerstoff für die Verbrennung des Brennstoffs im Kraftwerk sowie mit einer der zuvor genannten Vorrichtung zur Vorbehandlung der im Kraftwerk verbrannten Brennstoffe wirkverbunden ist. Vor dem Hintergrund der immer dringlicher werdenden Reduktion von Treibhausgasemissionen, insbesondere von Kohlendioxid, wird in jüngerer Zeit der Einsatz von Luftzerlegungsanlagen im Umfeld von mit fossilen Brennstoffen, wie Kohle oder Erdgas betriebenen Kraftwerken diskutiert. Insbesondere wird dabei der bei der Luftzerlegung gewonnene Sauerstoff unmittelbar zur Verbrennung des fossilen Brennstoffs eingesetzt, um das bei der Verbrennung entstehende Kohlendioxid leichter aus dem Abgas entfernen zu können. Der in der Luftzerlegungsanlage erzeugte Stickstoff kann beispielsweise in der zuvor beschriebenen Weise als Desorptionsgas zur Vorbehandlung des eingesetzten Brennstoffes dienen, wodurch dessen Brennwert erhöht wird.
  • Besonders zweckmäßig ist dabei, die Vorrichtung zur Vorbehandlung der Brennstoffe zur Zuführung der gasförmigen Bestandteile mit der Gaszerlegungseinrichtung zu verbinden, also den zur Erzeugung des Sauerstoffs für die Verbrennung im Kraftwerk eingesetzten Luftzerlegungseinrichtung zugleich für die Gewinnung der gasförmigen Bestandteile im Brennstoff einzusetzen. Dadurch wird das Rohgas mit Edelgasen angereichert und die die Ausbeute an Edelgasen im Luftzerlegungsprozess also erhöht, Anhand der Zeichnungen sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:
  • 1 Eine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüstete Verbrennungsanlage in einer ersten Ausführungsform und
  • 2 Eine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüstete Verbrennungsanlage in einer zweiten Ausführungsform.
  • Die in der 1 gezeigte Verbrennungsanlage 1 umfasst eine Verbrennungseinrichtung 2, beispielsweise die Brennkammer eines Kraftwerks, in der ein fossiler Energieträger, beispielsweise Kohle, Erdöl oder Erdgas, oder Müll verbrannt wird. Der Brennstoff wird über eine Brennstoffzuführung 3 zur Verbrennungseinrichtung 2 geführt. Über eine Oxidationsmittelleitung 4 wird ein Oxidationsmittel, im Ausführungsbeispiel Sauerstoff oder ein sauerstoffreiches Gas, in die Verbrennungseinrichtung 2 eingeleitet. Das bei der Verbrennung entstehende Abgas wird über eine Abgasleitung 5 abgeführt. Um die Emission von Treibhausgasen zu verringern, kann das bei der Verbrennung entstehende Kohlendioxid in einer Trenneinrichtung 6 vom übrigen Abgas abgetrennt und entsorgt werden.
  • Der bei der Verbrennung eingesetzte Sauerstoff wird in einer Luftzerlegungsanlage 7 erzeugt. In der Luftzerlegungsanlage 7 wird ein Rohgas, das über eine Rohgasleitung 8 herangeführt wird, in an sich bekannter Weise in seine Bestandteile zerlegt, welche anschließend über entsprechende Produktleitungen 4, 9, 10, 11 für Stickstoff (9), Sauerstoff (4), Argon (10), Neon (11), Helium (12), und gegebenenfalls Leitungen für weitere im Rohgas enthaltene Gase wie Krypton oder Xenon, abgeführt werden und für eine wirtschaftliche Verwertung zur Verfügung stehen.
  • Um die Effizienz des Brennvorgangs zu verbessern und den Brennwert des in der Verbrennungseinrichtung 2 verbrannten Brennstoffs zu erhöhen, ist der Brennstoffzuführung 3 eine Desorptionseinrichtung 13 vorgeschaltet. In der Desorptionseinrichtung 13 wird der Brennstoff vor seiner Zuführung an die Verbrennungseinrichtung 2 erhitzt und mit einem Desorptionsgas, im Ausführungsbeispiel Luft, beaufschlagt, das über eine Desorptionsgasleitung 14 herangeführt wird. Durch das Erhitzen des Brennstoffes desorbieren zumindest teilweise die im Brennstoff enthaltenen Edelgase und weitere Spurengase, ebenso wie Sauerstoff und Wasser, und werden vom Desorptionsgasstrom mitgerissen. Die Aufheizung des Brennstoffs erfolgt entweder dadurch, dass der Brennstoff selbst und/oder das Desorptionsgas vor seiner Zuführung an den Brennstoff erhitzt wird. Als Energie zum Beheizen kann beispielsweise Restwärme genutzt werden, die beim Betrieb der Luftzerlegungsanlage 7 oder der Verbrennungseinrichtung 2 anfällt, beispielsweise kann hierzu die Eigenwärme des über die Abgasleitung 5 abgeführten Abgases genutzt werden.
  • Das beladene Desorptionsgas wird in der Rohgasleitung 8 abgeführt, in einer an sich bekannten Einrichtung 15 zum Abscheiden von Wasser getrocknet und anschließend über die Rohgasleitung 8 der Luftzerlegungsanlage 7 zugeführt. Da das in die Luftzerlegungsanlage 7 eingebrachte Rohgas aufgrund des Desorptionsprozesses einen höheren Edelgasanteil als gewöhnliche Luft aufweist, können in der Luftzerlegungsanlage 7 entsprechend größere Mengen an Edelgasen gewonnen werden. Zudem kann, je nach Brennstoff, der Sauerstoffanteil aufgrund des Desorptionsprozesses erhöht sein, wodurch ein – im Vergleich zu Luft – deutlich höherer Anteil des Rohgases als Oxidationsmittel über die Oxidationsmittelleitung 4 der Verbrennungseinrichtung 2 zugeführt werden kann. Anstelle von Luft kann im Übrigen auch ein anderes Gas zur Desorption eingesetzt werden, beispielsweise ein Prozessgas, das in einem anderen Prozess im Umfeld der Verbrennungsanlage 1 anfällt.
  • In 2, in der gleich wirkende Teile der Anlage mit gleichen Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet sind, ist eine Variante zum vorgenannten Ausführungsbeispiel gezeigt. Bei der in 2 gezeigten Verbrennungsanlage 20 wird als Desorptionsgas Stickstoff eingesetzt, der zuvor in der Luftzerlegungsanlage 7 gewonnen wurde. Dazu wird Luft über eine Luftzuleitung 21 nach Durchlaufen der Einrichtung 15 zum Abscheiden von Wasser in die Luftzerlegungsanlage 7 eingespeist und dort in ihre Bestandteile zerlegt. Der Sauerstoff wird, wie im vorherigen Ausführungsbeispiel, über eine Sauerstoffleitung 4 der Verbrennungseinrichtung 2 zugeführt. Ein Teilstrom des bei der Zerlegung gewonnenen Stickstoffs wird aus der Stickstoffleitung 9 heraus und über eine Desorptionsgasleitung 23 zur Desorptionseinrichtung 13 geführt. Nach dem Desorptionsvorgang wird der mit Edelgasen und anderen gasförmigen Stoffen beladene Stickstoff dem in der Leitung 21 herangeführten Frischluftstrom und mit diesem der Luftzerlegungsanlage 7 zugeführt. Auch hier ergibt sich nach der Zerlegung eine höhere Ausbeute an Edelgasen als dies bei der Zerlegung reiner Luft der Fall wäre.
  • Eine andere, nicht gezeigte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, das Abgas aus der Verbrennungseinrichtung 2 nach der Abtrennung des Kohlendioxids in der Trenneinrichtung 6 ganz oder teilweise dem Desorptionsgas beizumischen. Dadurch werden beim Verbrennungsvorgang freiwerdende Edelgasanteile ebenfalls dem Prozess der Gaszerlegung unterworfen. Zudem kann die Eigenwärme des Abgases zur Erhitzung des Brennstoffs genutzt werden.
  • Die Erfindung ist freilich nicht auf die angegebene Ausführungsbeispiele beschränkt. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Einsatz bei allen Prozessen, bei denen die Abtrennung von Edelgas oder anderen Spurengasen aus Brennstoffen wirtschaftlich sinnvoll zu realisieren ist.
    • 1
    Verbrennungsanlage
    2
    Verbrennungseinrichtung
    3
    Brennstoffzuführung
    4
    Oxidationsmittelleitung
    5
    Abgasleitung
    6
    Trenneinrichtung (für Kohlendioxid)
    7
    Luftzerlegungsanlage
    8
    Rohgasleitung
    9
    Produktleitung für Stickstoff
    10
    Produktleitung für Argon
    11
    Produktleitung für Neon
    12
    Produktleitung für Helium
    13
    Desorptionseinrichtung
    14
    Desorptionsgasleitung
    15
    Wasserabscheider
    16
    –
    17
    –
    18
    –
    19
    –
    20
    Verbrennungsanlage
    21
    Luftzuleitung
    22
    –
    23
    Desorptionsgasleitung

Claims (13)

  1. Verfahren zur Vorbehandlung von Brennstoffen, bei dem aus dem Brennstoff vor seiner Verbrennung unbrennbare oder schwer brennbare, gas- und dampfförmige Bestandteile abgetrennt und anschließend einer weiteren Nutzung zugeführt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasstrom mit den gasförmigen Bestandteilen beladen und anschließend zwecks Darstellung der gasförmigen Bestandteile einem Verfahren zur Gaszerlegung unterzogen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein fester oder flüssiger Brennstoff zur Abtrennung gasförmiger Bestandteile erhitzt und mit dem Gasstrom in Kontakt gebracht wird, wobei die abgetrennten gasförmigen Bestandteile zumindest teilweise vom Gasstrom aufgenommen werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Gaszerlegungsverfahren gewonnener Sauerstoff zur Verbrennung des Brennstoffs eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Gaszerlegungsverfahren gewonnenes Gas, beispielsweise Stickstoff, dem Gasstrom zur Aufnahme gasförmiger Bestandteile zugeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den zur Aufnahme der gasförmigen Bestandteile bestimmten Gasstrom Abgas aus der Verbrennung des Brennstoffes eingespeist wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Gaszerlegung und/oder dem Verbrennungsprozess anfallende Abwärme zur Aufheizung des Gasstroms und/oder des Brennstoffs genutzt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Vorbehandlung eines der Brennstoffe Kohle, Erdöl, Erdgas oder Grubengas.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gasförmigen Bestandteilen Edelgas gewonnen wird.
  10. Vorrichtung zur Vorbehandlung von Brennstoffen, mit einer Einrichtung (13) zum Abtrennen gasförmiger Bestandteile aus dem Brennstoff und einer Einrichtung zum Zuführen der gasförmigen Bestandteile aus den Brennstoffen in den Eingangsstrom einer Gaszerlegungseinrichtung (7).
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Abtrennung der gasförmigen Bestandteile eine Einrichtung (13) zur Desorption der gasförmigen Bestandteile aus festen Brennstoffen umfasst.
  12. Einrichtung zur Erzeugung von Wärme und/oder Strom, umfassend ein Kraftwerk, in dem Brennstoff mit Sauerstoff verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk mit einer Gaszerlegungseinrichtung (7) zur Erzeugung von Sauerstoff für die Verbrennung des Brennstoffs im Kraftwerk sowie mit einer Vorrichtung zur Vorbehandlung der im Kraftwerk verbrannten Brennstoffe nach einem der Ansprüche 10 oder 11 wirkverbunden ist.
  13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Vorbehandlung der Brennstoffe zur Zuführung der gasförmigen Bestandteile mit der Gaszerlegungseinrichtung (7) wirkverbunden ist.
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