DE102009051938A1 - Chemischer Reaktor mit Wärmeauskopplung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen chemischen Reaktor (2) einer technischen Anlage, insbesondere einer Kraftwerksanlage, umfassend eine gasdichte Wand, die einen Gaskanal (5) bildet, wobei Wärmetauscherflächen im Gaskanal (5) angeordnet sind, die von einem ersten Fluid durchströmbar sind und mindestens zum Teil eine katalytisch wirksame Oberfläche aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen chemischen Reaktor mit kontinuierlicher Wärmeauskopplung
  • Kohle als Primärenergiequelle ist im Preis relativ stabil und viele Länder haben eigene Reserven. Zukünftig werden an fossil befeuerte Kraftwerke neue Anforderungen, wie zum Beispiel niedrigste Emissionen und zusätzliche CO2-Abtrennung, gestellt werden. Eines der am weitesten entwickelten Kraftwerkskonzepte der CO2-Abtrennung stellt der Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) dar. Diese Technologie umfasst eine Vergasung des Brennstoffs vor dem eigentlichen Gas- und Dampfkraftwerk (GuD). Da CO2-Capture-Maßnahmen immer mit eifern Wirkungsgradverlust (8%–12%, je nach technischen Randbedingungen) verbunden sind, ist es für die Realisierung einer IGCC-Anlage wichtig, für die einzelnen Teilprozesse einen hohen Wirkungsgrad anzustreben.
  • Bei einer IGCC-Anlage mit CO2-Abtrennung wird die Kohle zunächst in einem Vergaser in so genanntes Synthesegas umgewandelt, das im Wesentlichen aus Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2), Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) besteht. Das CO wird anschließend mit Wasser möglichst vollständig in CO2 und H2 konvertiert (CO-Shift). Bei höherer Temperatur liegt eine schnelle Kinetik aber ein ungünstiges chemisches Gleichgewicht vor. Bei niedrigen Temperaturen ist das Gleichgewicht stärker auf der rechten Seite der Reaktionsgleichung, aber die Kinetik nimmt ab. Daher wird momentan die Shift-Reaktion in ein bis drei Stufen durchgeführt um zwischen den Reaktionen Wärme abzuführen und ggf. Wasserdampf zuzuführen. Das CO2 wird dann durch eine zusätzliche Wäsche abgetrennt, verdichtet und zu den Speicherstätten transportiert. Außerdem wird das Synthesegas von anderen Schadstoffen wie Staub und Schwefelverbindungen gereinigt, um Anforderungen der Luftreinhaltung und technischen Anforderungen in der Gasturbine zu genügen. Der verbleibende Wasserstoff wird mit Stickstoff und Wasserdampf verdünnt und in einer Gasturbine verbrannt. Die entstehenden heißen Abgase dienen zur Dampferzeugung; der Dampf dient zur weiteren Stromerzeugung in einer Dampfturbine.
  • Die Shift-Reaktion, bei der aus CO unter Zugabe von Wasserdampf in Gegenwart eines Katalysators Wasserstoff und CO2 erzeugt wird, ist stark exotherm und benötigt viel Wasserdampf (sowohl zur Reaktion als auch zur Reduzierung der Temperatur). Dieser Schritt hat im Prozess signifikanten Einfluss auf den Wirkungsgrad.
  • Aufgabe ist es, den Shift-Reaktor und das Verfahren der CO-Shift weiterzuentwickeln, so dass ein verbesserter Anlagen-Wirkungsgrad erzielt wird.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert. Indem bei einem chemischen Reaktor mit einer gasdichten Wand, die einen Gaskanal bildet, Wärmetauscherflächen im Gaskanal angeordnet sind, die von einem ersten Fluid durchströmbar sind, und mindestens zum Teil eine katalytisch wirksame Oberfläche aufweisen, wird folgendes erreicht:
    Bei niedrigem Druckverlust kann Wärme kontinuierlich aus dem Prozess entfernt und dadurch eine verbesserte Temperaturführung (konstant oder an die Optimierung des Prozesses angelehnt) des Shift-Prozesses erreicht werden. Die katalytisch wirksamen Oberflächen würden auf den vom Rohgas bestrichenen Wärmetauscheraußenflächen liegen und die Wärme kann direkt an ein geeignetes Medium abgegeben werden.
  • Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Oberfläche der Wärmetauscherflächen eine Umwandlung von Kohlenmonoxid und Wasser in Wasserstoff und Kohlendioxid katalysiert oder bewirkt.
  • In bevorzugter Ausführung weist die gasdichte Wand ebenfalls eine katalytisch wirksame Oberfläche auf. Damit kann die katalytisch wirksame Oberfläche bei gleich bleibend geringem Druckverlust vergrößert werden.
  • Vorteilhafter Weise sind im Gaskanal mehrere Zuführeinrichtungen für ein zweites Fluid vorgesehen, die in einer vorteilhaften Ausführungsform in Richtung einer Längsachse des Gaskanals verteilt angeordnet sind, wobei das zweite Fluid zweckmäßigerweise Wasser ist, das dem Shift-Prozess zugeführt werden muss. Die gestufte Zugabe von Wasser hat den Vorteil, eine möglichst geringe Zusatzwassermenge (gerade soviel wie für den Prozess notwendig) nutzen zu können um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
  • Zur besseren Verteilung bzw. Durchmischung des zugeführten Wassers mit dem Gasstrom ist es zweckmäßig, wenn die Zuführeinrichtungen Eindüsevorrichtungen sind.
  • Vorteilhafter Weise ist der Gaskanal in liegender Bauweise ausgeführt und im Wesentlichen in waagerechter Richtung von Gas durchströmbar, wobei die Wärmetauscherflächen Verdampferheizflächen oder Economizerheizflächen sind. Auf diese Weise lässt sich die bei der Konvertierung anfallende Wärme direkt im Kraftwerksprozess nutzen.
  • Nach besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist der Reaktor in eine Kraftwerksanlage mit einer Gasturbine, einer Dampfturbine und einer der Gasturbine vorgeschalteten Brennstoffvergasung integriert, wobei er zwischen die Brennstoffvergasung und die Gasturbine geschaltet ist.
  • Bezogen auf das Verfahren zum Betrieb eines chemischen Reaktors wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Kohlenmonoxid enthaltendes Gas über mehrere Wärmetauscherflächen mit katalytisch wirksamer Oberfläche geleitet wird und Wasser in Strömungsrichtung des Gases verteilt dem Gas zugeführt wird.
  • Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Wärmetauscherflächen durch Rohre gebildet werden, durch die Wasser geleitet wird, welches dadurch erwärmt und im Kraftwerksprozess an anderer Stelle verwendet werden kann.
  • Die bisher in Stufen aufgeteilte Shift-Reaktion wird in einen quasi-kontinuierlichen Reaktions- und Wärmeabtransport-Prozess überführt. Der erfindungsgemäße chemische Reaktor bietet große Katalysatorflachen und niedrigere Druckverluste als die übliche Katalysatorschüttung. Die Technologie ist nicht auf IGCC-Anwendungen beschrankt, sondern könnte auch in anderen Reaktionen verwendet werden, wie beispielsweise der Produktion von Synthetic Natural Gas bzw. Substitute Natural Gas (SNG), einem Erdgassubstitut, das auf der Basis von Kohle, vor allem Braunkohle, oder Biomasse (Bio-SNG bzw. Biomethan) über Synthesegas hergestellt wird.
  • Ggf. kann für die Wärmeauskoppelung aus Abhitzedampferzeugern bekannte Bensontechnologie genutzt werden.
  • Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
  • 1 einen Vergaser mit nachgeschaltetem chemischem Reaktor für die CO-Konvertierung,
  • 2 einen schematischen Synthesegas-Temperaturverlauf über den erfindungsgemäßen Reaktor und
  • 3 einen schematischen Synthesegas-Temperaturverlauf über Reaktoren nach dem Stand der Technik.
  • Die Anordnung in 1 weist zwei Hauptkomponenten auf: den Vergasungsreaktor 1 und den erfindungsgemäßen chemischen Reaktor 2 für die Konversion von Kohlenmonoxid.
  • Die Umsetzung des Einsatzstoffes 3 (das sind fossile oder nachwachsende Energieträger und Rückstände, wie Erdgas, Erdölfraktionen, Kohle, Biomasse oder Abfallstoffe) erfolgt im Vergasungsreaktor 1 in einer Flammenreaktion. Das dabei u. a entstehende heiße Rohgas 4 strömt aus dem Vergasungsreaktor 1 über verschiedene Stationen, wie beispielsweise eine Abhitzeeinheit 19 zur Kühlung des Rohgases von der Vergasungstemperatur bis auf ca. 700°C bis 900°C, bei der idealerweise Hochdruckdampf produziert wird, und/oder eine Quencheinheit 20, in den chemischen Reaktor 2. Ziel des Quenches ist ein Anstieg des Wasserdampfanteils im Rohgas für die nachfolgende Wassergas-Shift-Reaktion im chemischen Reaktor 2.
  • Der Gaskanal 5 des chemischen Reaktors 2 umfasst aus Rohren aufgebaute Wärmetauscherflächen 6. Diese können im Gaskanal 5 angeordnet sein oder auch die Umfassungswand 7 des Gaskanals 5 bilden. Im letzteren Fall sind die nicht näher dargestellten Dampferzeugerrohre an ihren Längsseiten über Stege oder sogenannte Flossen gasdicht miteinander verschweißt. Eine Mehrzahl von zueinander benachbarten Rohren ist auf diese Weise zu einer Wärmetauscherfläche 6 zusammengefasst. Die Eintrittsenden 8 der eine Wärmetauscherfläche 6 bildenden Rohre am stromabwärtigen Ende 9 des chemischen Reaktors 2 werden über einen (nicht dargestellten) gemeinsamen Eintrittssammler beispielsweise mit Speisewasser beaufschlagt. Die Wärmetauscherfläche 6 wird in diesem Fall als Economizerheizfläche 10 verwendet. Austrittseitig strömt das in den Rohren der Economizerheizfläche 10 in Folge der Beheizung durch das Synthesegas erwärmte Speisewasser über einen (nicht dargestellten) gemeinsamen Austrittssammler ab und wird anschließend einer Verdampfereinheit zugeführt. Die Verdampfereinheit 11 kann ebenfalls im chemischen Reaktor 2, beispielsweise in Strömungsrichtung des Synthesegases stromauf der Economizerheizfläche 10, angeordnet sein. Das vom Economizer 10 vorgewärmte Wasser kann auch beim Verdampfer 11 über einen Eintrittssammler den Wärmetauscherflächen 6 zugeführt werden. In der Verdampfereinheit 11 wird das vorgewärmte Wasser zu Nieder-, Mittel- oder Hochdruckdampf verdampft und, ebenfalls über entsprechende Sammler, beispielsweise einer Überhitzereinheit 12 zugeführt.
  • Die Wärmetauscherflächen 6 können auch zur Zwischenüberhitzung 13 des aus einer ersten Turbinenstufe einer Dampfturbine abströmenden, partiell entspannten Strömungsmediums eingesetzt werden, so dass das Strömungsmedium anschließend erneut aufgeheizt der nächsten Stufe der Dampfturbine zuführbar ist.
  • Infolge der Wärmeübertragung auf das die Wärmetauscherflächen 6 durchströmende Strömungsmedium wird Wärme des im Gaskanal 5 strömenden Synthesegases mit fortschreitendem Strömungsweg kontinuierlich abgeführt. Infolge der Wassergas-Shift-Reaktion entsteht jedoch wieder Wärme. Zur Regelung dieser Reaktion und somit der Temperatur des Synthesegases wird Wasser an verschiedenen Stellen und in Längsrichtung des Gaskanals 5 verteilt in den Synthesegasstrom eingeleitet. Die Wassereinleitung erfolgt mithilfe einer Eindüsevorrichtung 14. Die Düsen der Eindüsevorrichtung sind derart eingestellt und ausgerichtet, dass eine möglichst geringe Zusatzwassermenge (gerade soviel wie für den Prozess notwendig) bereitgestellt wird, um einen möglichst hohen Anlagenwirkungsgrad zu erreichen.
  • Die Heizflächen des Economizers und der Verdampfer und ggfs. Überhitzer sind mit einer Katalysatorschicht für die Wassergas-Shift-Reaktion versehen. Durch das Katalysatormaterial wird die Aktivierungsenergie für die Shift-Reaktion, bei der Kohlenmonoxid und Wasser in Kohlendioxid und Wasserstoff umgewandelt werden, herabgesenkt und somit ihre Kinetik verändert.
  • 2 zeigt schematisch den Temperaturverlauf des Synthesegases vom Reaktoreingang 15 zum Reaktorausgang 9. Im Gegensatz zur Verwendung von Hochtemperatur- 16 und Niedertemperatur-Shift-Stufen 17 (s. 3) des Standes der Technik kann bei der vorliegenden Erfindung zur Wirkungsgradoptimierung der Temperaturverlauf im chemischen Reaktor 2 eingestellt bzw. geführt werden. Dabei ist dieser Temperaturverlauf nicht zwangsläufig horizontal (A), sondern wird gemäß dem Gleichgewicht der Wassergas-Shift-Reaktion eher gegen Ende des Gaskanals 5 abfallen (B), um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass bei höherer Temperatur eine schnelle Kinetik aber ein ungünstiges chemisches Gleichgewicht vorliegt und bei niedrigen Temperaturen das Gleichgewicht stärker auf der rechten Seite der Reaktionsgleichung ist, aber die Kinetik abnimmt. Der Temperaturverlauf muss dabei nicht linear sein. Da die Kohlenmonoxidkonzentration zu Beginn der Shift-Reaktion am höchsten ist, liegen am Reaktoreingang bevorzugt höhere Temperaturen vor als am Reaktorausgang. Die Wärmetauscherflächen 6 sind dann entsprechend so im chemischen Reaktor 2 angeordnet, dass in Strömungsrichtung des Synthesegases auf einer stromaufwärtigen Seite des chemischen Reaktors 2 eher Überhitzer 12, 13 und Verdampfer 11 und auf der stromabwärtigen Seite der Economizer 10 ist.
  • 3 zeigt den Temperaturverlauf, wie er im Stand der Technik bei Verwendung einer Hochtemperatur- 16 und einer Niedertemperatur-Shift-Stufe 17 mit zwischengeschaltetem Wärmetauscher 18 aussähe.

Claims (11)

  1. Ein chemischer Reaktor (2) einer technischen Anlage, insbesondere einer Kraftwerksanlage, umfassend eine gasdichte Wand (7), die einen Gaskanal (5) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmetauscherflächen (6) im Gaskanal (5) angeordnet sind, die von einem ersten Fluid durchströmbar sind und mindestens zum Teil eine katalytisch wirksame Oberfläche aufweisen.
  2. Der Reaktor (2) nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche eine Umwandlung von Kohlenmonoxid und Wasser in Wasserstoff und Kohlendioxid katalysiert oder bewirkt.
  3. Der Reaktor (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die gasdichte Wand (7) ebenfalls eine katalytisch wirksame Oberfläche aufweist.
  4. Der Reaktor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Gaskanal (5) mehrere Zuführeinrichtungen für ein zweites Fluid vorgesehen sind.
  5. Der Reaktor (2) nach Anspruch 4, wobei die Zuführeinrichtungen in Richtung einer Längsachse des Gaskanals (5) verteilt angeordnet sind.
  6. Der Reaktor (2) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei das zweite Fluid Wasser ist.
  7. Der Reaktor (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Zuführeinrichtungen Eindüsevorrichtungen sind.
  8. Der Reaktor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gaskanal (5) in liegender Bauweise ausgeführt ist und im Wesentlichen in waagerechter Richtung von Gas durchströmbar ist, wobei die Wärmetauscherflächen (6) Verdampferheizflächen (11) oder Economizerheizflächen (10) sind.
  9. Eine Kraftwerksanlage mit einer Gasturbine, einer Dampfturbine und einer der Gasturbine vorgeschalteten Brennstoffvergasung, wobei ein Reaktor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zwischen die Brennstoffvergasung und die Gasturbine geschaltet ist.
  10. Ein Verfahren zum Betrieb eines chemischen Reaktors (2), dadurch gekennzeichnet, dass ein Kohlenmonoxid enthaltendes Gas über mehrere Wärmetauscherflächen (6) mit katalytisch wirksamer Oberfläche geleitet wird und Wasser in Strömungsrichtung des Gases verteilt dem Gas zugeführt wird.
  11. Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Wärmetauscherflächen (6) durch Rohre gebildet werden, durch die Wasser geleitet wird.
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