DE102013219254A1 - Energetically optimized process for material coal / biomass utilization - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur energetisch optimierten Synthesegaserzeugung beschrieben, bei dem in einer Vergasungsvorrichtung unter Dampfeinsatz ein Synthesegas erzeugt wird, das in einem kontaktlosen Wärmeübertrager gekühlt und nach Austritt aus dem Wärmeübertrager stofflich genutzt wird. Im Wärmeübertrager wird das Arbeitsmedium einer Gasturbine erhitzt. Nach dem Austritt des Arbeitsmedium aus der Gasturbine wird es einem Abhitzekessel zugeführt, wo es Restwärme zur Dampferzeugung abgibt. Der erzeugte Dampf kann als Vergasungsmittel oder an anderer Stelle im Prozess genutzt werden.The invention relates to a process for the energy-optimized production of synthesis gas, in which a synthesis gas is produced in a gasification apparatus under steam use, which gas is cooled in a contactless heat exchanger and used materially after it leaves the heat exchanger. In the heat exchanger, the working medium of a gas turbine is heated. After the discharge of the working fluid from the gas turbine, it is fed to a waste heat boiler, where it emits residual heat to generate steam. The generated steam can be used as a gasifying agent or elsewhere in the process.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, bei dem die Energiebilanz bei der stofflichen Nutzung von aus Kohle oder Biomasse gewonnenem Gas deutlich verbessert werden kann.The present invention is a method in which the energy balance in the material utilization of gas obtained from coal or biomass can be significantly improved.

Für die stoffliche Nutzung von Kohle und/oder Biomasse in Form von Grundstoffen für die chemische Industrie wird der Primärenergieträger (Kohle oder Biomasse) nach dem Stand der Technik zunächst in ein Gas umgesetzt (vergast). Bei einer Vergasung nach Winkler unter Druck (~30 bar) und bei hoher Temperatur (Austrittstemperatur ~890–950 °C) werden hohe Umsatzraten vom Einsatzstoff zum Produktgas erzielt. Da diese Vergasung allotherm ist, wird eine Energiezufuhr von außen in das Verfahren benötigt. Dies kann durch das Vergasungsmittel Sattdampf erfolgen. Da die Vergasungsenergie extern bereitgestellt werden muss, wird der Prozess energetisch sehr aufwändig. For the material use of coal and / or biomass in the form of basic materials for the chemical industry, the primary energy source (coal or biomass) is first converted into a gas (gasified) according to the state of the art. At a Winkler gasification under pressure (~ 30 bar) and at high temperature (outlet temperature ~ 890-950 ° C), high conversion rates are achieved from the feed to the product gas. Since this gasification is allothermic, an external energy input is needed in the process. This can be done by the gasification saturated steam. Since the gasification energy has to be provided externally, the process becomes very energy consuming.

Bei der Vergasung entsteht ein brennbares Gas bei ca. 920 °C, das vor einer Gasreinigung und der anschließenden Synthese (z.B. Fischer-Tropsch-, SNG-, DME-Synthese) gekühlt werden muss. Diese gesamte Prozesskette der Vergasung und anschließender Synthese ist noch nicht wirtschaftlich umsetzbar. Daher ist eine energetische Verbesserung des Gesamtprozesses notwendig, um ihn effizienter zu gestalten. Gasification produces a combustible gas at around 920 ° C, which must be cooled before gas purification and subsequent synthesis (e.g., Fischer-Tropsch, SNG, DME synthesis). This entire process chain of gasification and subsequent synthesis is not yet economically feasible. Therefore, an energetic improvement of the overall process is necessary to make it more efficient.

Aufgrund der bisher fehlenden Wirtschaftlichkeit von Biomassevergasungsprozessen und der anschließenden stofflichen Nutzung, werden verschiedene Verfahren im Technikumsmaßstab erprobt. Bei den bisher bekannten Verfahren liegt entweder eine reine stoffliche oder eine reine energetische Nutzung vor:
Es existiert eine Reihe von Lösungen, die sich das Ziel gestellt haben, den Gesamtwirkungsgrad der Prozesse zu verbessern. Typischerweise werden dazu Wärmerückgewinnungs- und -nutzungsverfahren vorgeschlagen.
Due to the lack of economic efficiency of biomass gasification processes and the subsequent material use, various processes are being tested on a pilot plant scale. In the previously known methods is either a pure material or a pure energetic use:
There are a number of solutions that have set themselves the goal of improving the overall efficiency of the processes. Typically, heat recovery and utilization methods are proposed for this purpose.

In der US 4,099,383 A wird unter anderem beschrieben, dass ein Gasstrom (Synthesegas, Pyrolysegas) aus einem Gasgenerator durch einen kontaktlosen Wärmeübertrager (Rekuperator) geführt wird. In diesem Wärmeübertrager wird ein Wärmeträgermedium erhitzt. Als Wärmeträgermedium sind u.a. explizit Wasser, Helium, Stickstoff und Argon benannt. Das Wärmeträgermedium wird anschließend einer Turbine als Arbeitsmedium zugeleitet, wo es der Energieerzeugung dient. Es wird explizit beschrieben, dass die Abwärme des Wärmeträgermediums zum Vorheizen des Sauerstoffträgers für die Vergasung genutzt wird. In der US 4099383 A ist eine prozessinterne Erzeugung des zur Vergasung benötigten Dampfes vorgesehen, dies erfolgt aus dem Rohgas des Vergasers. Dieses Vorgehen hat eine Reihe von Nachteilen: höhere Korrosion des Dampferzeugers, da er mit ungereinigtem Rohgas (hoher Alkali- und Staubgehalt) durchströmt wird; geringerer Wirkungsgrad, da ggf. eine zusätzliche Kühlung im Gasturbinenprozess benötigt wird, damit dieser geschlossen betrieben werden kann, wodurch die Abwärme nicht ideal ausgenutzt werden kann.In the US 4,099,383 A is described inter alia that a gas stream (synthesis gas, pyrolysis gas) from a gas generator through a non-contact heat exchanger (recuperator) is performed. In this heat exchanger, a heat transfer medium is heated. As a heat transfer medium, among others explicitly water, helium, nitrogen and argon are named. The heat transfer medium is then fed to a turbine as a working medium, where it is used to generate energy. It is explicitly described that the waste heat of the heat transfer medium is used for preheating the oxygen carrier for the gasification. In the US 4099383 A an in-process generation of the steam required for gasification is provided, this is done from the raw gas of the carburetor. This approach has a number of disadvantages: higher corrosion of the steam generator, since it is flowed through with unpurified raw gas (high alkali and dust content); lower efficiency, since possibly an additional cooling in the gas turbine process is needed so that it can be operated closed, so that the waste heat can not be ideally exploited.

Die DE 28 21 413 C2 beschreibt ein Verfahren, bei dem durch Teiloxidation der Brennstoffe in einem Reaktor H2 und CO enthaltende Gase erzeugt werden. Diese Sythesegase werden in einem Hochtemperaturwärmeübertrager (Rekuperator) mittels Wasser gekühlt, wobei ein Dampfstrom entsteht. Dieser wird optional teilweise in eine Turbine zur Energieerzeugung genutzt. Ein weiterer Teil des überhitzten Dampfes wird dem Synthesegasstrom beigemischt. Als Material für den Hochtemperaturwärmeübertrager werden metallische oder keramische Werkstoffe benannt. Der Verbleib des aus der Turbine austretenden Dampfes sowie von dessen Restwärme werden nicht näher diskutiert.The DE 28 21 413 C2 describes a process in which H 2 and CO-containing gases are produced by partial oxidation of the fuels in a reactor. These synthesis gases are cooled in a high-temperature heat exchanger (recuperator) by means of water, whereby a vapor stream is formed. This is optionally used partly in a turbine for energy production. Another part of the superheated steam is added to the synthesis gas stream. As material for the high-temperature heat exchanger metallic or ceramic materials are named. The whereabouts of the steam leaving the turbine and its residual heat are not discussed further.

Die bekannten Verfahren zur Nutzung von Biomasse zur Erzeugung synthetischer Stoffe, weisen bisher eine zu geringe Effizienz auf. Bisher wurde keine kombinierte stoffliche und energetische Nutzung von Biomasse auf Basis der Vergasung bei hoher Effektivität realisiert. Dadurch werden Energieströme nicht effizient genutzt.The known methods for using biomass for the production of synthetic substances, so far have a too low efficiency. So far, no combined material and energetic use of biomass based on gasification has been realized with high efficiency. As a result, energy flows are not used efficiently.

Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verfahren nach dem Stand der Technik häufig vorhandene Abwärmequellen nur bedingt nutzen. So werden immer noch notwendige Temperaturanpassungen im Prozess durch Quenchen oder Kühlung bei Abgabe der Abwärme an die Umwelt durchgeführt.Studies have shown that the prior art methods often use existing waste heat sources only conditionally. Thus, necessary temperature adjustments in the process are still carried out by quenching or cooling when the waste heat is released to the environment.

Es stellt sich somit die Aufgabe, eine verbesserte Verfahrensführung für die stoffliche Kohle-/Biomassenutzung vorzuschlagen, durch die der energetische Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens verbessert werden kann.It is therefore the task to propose an improved process management for the material coal / biomass use, by which the overall energy efficiency of the process can be improved.

Die Aufgabe wird mit dem in Anspruch 1 genannten Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstände der rückbezogenen Unteransprüche.The object is achieved by the method mentioned in claim 1. Advantageous embodiments of the method are objects of the dependent claims.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die stoffliche mit der energetischen Nutzung gekoppelt wird. Durch die Übertragung eines Energiestromes aus dem Rohgas an eine indirekt beheizte Gasturbine auf hohem Temperaturniveau, werden zusätzlich zu den synthetischen Stoffen auch Strom und Dampf erzeugt, wobei der Dampf bevorzugt innerhalb des Gesamtprozesses eingesetzt wird, um den Vergasungsmittelbedarf zu decken bzw. teilweise zu decken. Das Rohgas wird vorzugsweise nach der Kühlung und einer Gasaufbereitung der stofflichen Nutzung (z.B. Fischer-Tropsch-Synthese) zugeführt. Das Rohgas kann jedoch auch für andere Verfahren nach dem Stand der Technik genutzt werden.According to the invention the problem is solved by the material is coupled with the energetic use. By transmitting an energy flow from the raw gas to an indirectly heated gas turbine at a high temperature level, in addition to the synthetic substances and electricity and steam generated, the steam is preferably used within the overall process to meet the gasification requirements or partially cover. The crude gas is preferably supplied after cooling and gas treatment of the material use (eg Fischer-Tropsch synthesis). However, the raw gas can also be used for other methods according to the prior art.

Kern der Erfindung ist die Prozessführung von gekoppelter Stoff- und Stromerzeugung sowie interner Wärmenutzung zur Dampfbereitstellung für den Vergasungsprozess. Dabei wird die stoffliche Nutzung durch einen Vergaser nach dem Stand der Technik mit nachfolgenden Synthesen ermöglicht. The core of the invention is the process control of coupled material and power generation as well as internal heat utilization for steam supply for the gasification process. The material use is made possible by a prior art gasifier with subsequent syntheses.

In dem Vergasungsprozess wird Kohle bzw. Biomasse in einem Hochtemperaturvergaser (bspw. Hochtemperatur-Winkler-Vergaser) bei erhöhtem Druck (vorzugsweise ca. 30 bar) vergast. Das entstehende brennbare Rohgas weist bevorzugt eine Temperatur im Bereich von 750°C bis 1100°C, besonders bevorzugt von 820°C bis 1000°C und ganz besonders bevorzugt von ca. 890 °C bis 950 °C und einen Druck bevorzugt im Bereich von 25 bar bis 50 bar, besonders bevorzugt von 28 bar bis 45 bar und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 30 bar bis 40 bar auf. Es wird abgekühlt und nach einer Gasaufbereitung (Reinigung/Entstaubung) der gewünschten Synthese zugeführt. Produkte der Synthese können z.B. Benzin- und Dieselfraktionen, Methanol, Dimethylether oder Wasserstoff sein.In the gasification process, coal or biomass is gasified in a high-temperature gasifier (for example high-temperature Winkler gasifier) at elevated pressure (preferably about 30 bar). The resulting combustible crude gas preferably has a temperature in the range of 750 ° C to 1100 ° C, more preferably from 820 ° C to 1000 ° C and most preferably from about 890 ° C to 950 ° C and a pressure preferably in the range of 25 bar to 50 bar, more preferably from 28 bar to 45 bar and most preferably in the range of 30 bar to 40 bar. It is cooled and fed to the desired synthesis after a gas treatment (cleaning / dedusting). Products of the synthesis may e.g. Gasoline and diesel fractions, methanol, dimethyl ether or hydrogen.

Das Rohgas wird, optional nach einer Vorentstaubung (bspw. in einem Zyklon oder mittels keramischer Filterkerzen), zur Abkühlung in den Primärkreis eines Wärmeübertragers geführt, wobei ein im Sekundärkreis geführtes, bevorzugt gasförmiges Arbeitsmedium für einen Gasturbinenprozess erhitzt wird.The raw gas is, optionally after a preliminary dedusting (eg. In a cyclone or ceramic filter cartridges), led to the cooling in the primary circuit of a heat exchanger, wherein a guided in the secondary circuit, preferably gaseous working fluid is heated for a gas turbine process.

Die Abwärmeströme aus dem Rohgas werden somit vorteilhaft genutzt, um einen indirekt beheizten Gasturbinenprozess zur Stromerzeugung anzutreiben. Dies wird bevorzugt durch einen innovativen keramischen Hochtemperatur-Wärmeübertrager, wie in [1], [2], oder in der DE 10 2012 209052.5 beschrieben, ermöglicht, der die Wärme vom Rohgas an das verdichtete Gasturbinenarbeitsmedium überträgt.The waste heat streams from the raw gas are thus advantageously used to drive an indirectly heated gas turbine process for power generation. This is preferred by an innovative ceramic high-temperature heat exchanger, as in [1], [2], or in the DE 10 2012 209052.5 described, which transfers the heat from the raw gas to the compressed gas turbine working medium.

Das Arbeitsmedium tritt, je nach Prozessführung (offen/geschlossen), je nach Verdichterverhältnis und Medium bevorzugt mit einer Temperatur im Bereich von 150°C bis 350°C, besonders bevorzugt von 200°C bis 300°C und ganz besonders bevorzugt von 240 °C bis 290 °C sowie einem Druck von bevorzugt 2 bar bis 30 bar, besonders bevorzugt 2 bar bis 20 bar und ganz besonders bevorzugt 2,5 bar bis 10 bar, in den Rekuperator ein und mit einer Temperatur im Bereich von bevorzugt 600 °C bis 910 °C, besonders bevorzugt von 700°C bis 900°C und ganz besonders bevorzugt von 800 °C bis 900 °C aus dem Wärmeübertrager aus. Es erreicht dabei vorzugsweise eine Temperatur von bis zu 900 °C. (Je höher die Austrittstemperatur des Arbeitsmediums desto höher ist der Wirkungsgrad des Gasturbinenprozesses. Es kann jedoch die Rohgastemperatur am Eintritt in den Wärmeübertrager (vorzugsweise 920 °C) nicht erreichen.)The working medium occurs, depending on the process control (open / closed), depending on the compressor ratio and medium preferably at a temperature in the range of 150 ° C to 350 ° C, more preferably from 200 ° C to 300 ° C and most preferably from 240 ° C to 290 ° C and a pressure of preferably 2 bar to 30 bar, more preferably 2 bar to 20 bar and most preferably 2.5 bar to 10 bar, in the recuperator and at a temperature in the range of preferably 600 ° C. to 910 ° C, more preferably from 700 ° C to 900 ° C and most preferably from 800 ° C to 900 ° C from the heat exchanger. It preferably reaches a temperature of up to 900 ° C. (The higher the discharge temperature of the working fluid, the higher the efficiency of the gas turbine process, but it can not reach the raw gas temperature at the entrance to the heat exchanger (preferably 920 ° C).)

Als Arbeitsmedium kommen aus dem Stand der Technik bekannte Medien zum Einsatz. Bevorzugt sind dabei Luft, Helium, Argon etc. Möglich ist ein offener Gasturbinenprozess (bevorzugt mit den Arbeitsmedien Luft ggf. mit Wasser- bzw. Wasserdampfeindüsung) oder ein geschlossener Gasturbinenprozess (bevorzugt Luft, Helium, Stickstoff oder Argon als Arbeitsmedium). Da das Rohgas eine sehr hohe Temperatur aufweist, ist zum Entzug der Wärme aus dem Rohgasstrom ein Hochtemperaturwärmeübertrager (Rekuperator) bevorzugt. Vorzugsweise besteht dieser aus Keramik, besonders bevorzugt weist er keramische Wärmerohre auf. Besonders vorteilhaft ermöglicht der Einsatz des Hochtemperatur-Wärmeübertragers auf Wärmerohrbasis eine große Temperaturspreizung zwischen eintretendem und austretendem Rohgas. Es sind aber auch andere Wärmeübertragerarten aus dem Stand der Technik unter der Voraussetzung langer zu erwartender Standzeiten einsetzbar.As a working medium known from the prior art media are used. Air, helium, argon, etc. are preferred here. An open gas turbine process (preferably with the working media air if necessary with water or steam injection) or a closed gas turbine process (preferably air, helium, nitrogen or argon as the working medium) is possible. Since the raw gas has a very high temperature, a high-temperature heat exchanger (recuperator) is preferred for removing the heat from the crude gas stream. Preferably, this consists of ceramic, more preferably, it has ceramic heat pipes. Particularly advantageously, the use of the high-temperature heat exchanger based on heat pipes allows a large temperature spread between incoming and exiting raw gas. But there are also other types of heat transfer from the prior art under the condition of long expected life can be used.

Weiterhin bevorzugt ist die Ausführung des Wärmeübertragers auch mehrstufig möglich, wobei die, in Rohgasströmungssicht gesehen, erste Stufe besonders temperaturbeständig (bevorzugt Hochtemperaturwärmeübertrager mit keramischen Wärmerohren) ausgeführt wird, während die weiteren Stufen entweder ebenfalls mit einem Wärmeübertrager mit Wärmerohren, ggf. nicht keramisch und mit anderen Arbeitsmedien für den entsprechenden Temperaturbereich, oder mit einer herkömmlichen Konstruktion (z. B. Rohrbündelwärmeübertrager aus metallischen Werkstoffen) realisierbar sind. So wird vorteilhaft der besonders teure Hochtemperaturwärmeübertrager auf das notwendige Einsatzgebiet beschränkt. Das Arbeitsmedium des Gasturbinenprozesses wird vorteilhaft im Gegenstrom geführt, so dass es zuerst den Wärmeübertrager der letzten und ggf. mittleren Stufen durchströmt, bevor es in den Wärmeübertrager der ersten Stufe geführt wird. Further preferably, the design of the heat exchanger is also possible in several stages, the seen in Rohgasströmungssicht, first stage is particularly resistant to temperature (preferably high-temperature heat exchanger with ceramic heat pipes), while the other stages either also with a heat exchanger with heat pipes, possibly not ceramic and with Other working media for the corresponding temperature range, or with a conventional construction (eg shell and tube heat exchanger made of metallic materials) can be realized. Thus, the particularly expensive high-temperature heat exchanger is advantageously limited to the necessary application. The working medium of the gas turbine process is advantageously conducted in countercurrent, so that it first flows through the heat exchanger of the last and possibly middle stages before it is fed into the heat exchanger of the first stage.

Es sind sowohl offene als auch geschlossene Gasturbinenprozesse bevorzugt. Im offenen Gasturbinenprozess wird bevorzugt Umgebungsluft und im geschlossenen Gasturbinenprozess wird vorzugsweise ebenfalls Luft, weiterhin bevorzugt aber auch Helium, Argon, Stickstoff, Wasserdampf oder andere Fluide aus dem Stand der Technik, eingesetzt.Both open and closed gas turbine processes are preferred. In the open gas turbine process ambient air is preferred and in the closed gas turbine process preferably also air, but also preferably also helium, argon, nitrogen, water vapor or other fluids from the prior art used.

Ein geschlossener Gasturbinenprozess ist besonders bevorzugt, da er den Vorteil aufweist, dass zum einen keine Wärmeverluste mit der Abluft aus dem Gasturbinenprozess an die Umgebung abgeführt werden und zum anderen bei geschlossenen Prozessen andere Arbeitsmedien verwendet werden können, wie z. B. Helium, das eine ca. fünfmal so hohe Wärmekapazität aufweist wie Luft (Cp(He) = 5,2kJ/kg/K, Cp (Luft) = 1,0kJ/kg/K (bei 20°C) und 1,1 bei 900°C).A closed gas turbine process is particularly preferred since it has the advantage that on the one hand, no heat losses with the exhaust air from the gas turbine process are dissipated to the environment and on the other hand, other working media can be used in closed processes, such. B. Helium, which has about five times the heat capacity as air (Cp (He) = 5.2kJ / kg / K, Cp (air) = 1.0kJ / kg / K (at 20 ° C) and 1, 1 at 900 ° C).

Das entspannte Arbeitsmedium hat nach der Gasturbine noch eine hohe Temperatur. Bevorzugt liegt die Turbinenaustrittstemperatur im Bereich von 500°C bis 700°C, besonders bevorzugt von 520°C bis 650°C und ganz besonders bevorzugt von 540 °C bis 610 °C. Das Arbeitsmedium wird nach der Gasturbine daher in einen herkömmlichen Abhitzekessel (AHK) geführt, in dem die für die Vergasung benötigte Menge an Dampf (bevorzugt Sattdampf) vollständig oder zumindest teilweise erzeugt wird. Der Abhitzekessel kann ebenfalls einen mehrstufigen Wärmeübertrager aufweisen. Durch diese Prozessführung ist vorteilhaft kein ganzjähriger Wärmeabnehmer notwendig, da die Wärme intern für den Vergasungsprozess genutzt wird. Bei der energetischen Biomassenutzung wie sie derzeit betrieben und erforscht wird, ist hingegen immer eine Wärmesenke notwendig, um die Stromerzeugung ökologisch sinnvoll und wirtschaftlich zu gestalten. Durch die vorliegende Erfindung ist die Fernwärmeauskopplung nicht mehr notwendig, da die Abwärmeströme bevorzugt für die Unterstützung der stofflichen Nutzung verwendet werden. Bei offenem Gasturbinenprozess tritt lediglich Luft bei einer Temperatur im Bereich von 60°C bis 90°C, bevorzugt von ca. 77 °C aus. The relaxed working medium still has a high temperature after the gas turbine. Preferably, the turbine exit temperature is in the range of 500 ° C to 700 ° C, more preferably 520 ° C to 650 ° C, and most preferably 540 ° C to 610 ° C. The working medium is therefore passed to the gas turbine in a conventional waste heat boiler (AHK), in which the required amount of steam for the gasification (preferably saturated steam) is completely or at least partially generated. The waste heat boiler may also have a multi-stage heat exchanger. By virtue of this process management, it is advantageously not necessary to have a year-round heat consumer since the heat is used internally for the gasification process. In the energetic use of biomass as currently operated and researched, however, a heat sink is always necessary to make electricity generation ecologically sensible and economical. By the present invention, the district heating extraction is no longer necessary because the waste heat streams are preferably used for the support of the material use. With open gas turbine process only air at a temperature in the range of 60 ° C to 90 ° C, preferably from about 77 ° C from.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt vorteilhaft eine bestmögliche Ausnutzung der Einsatzstoffe (heimische) Braun- und Steinkohle bzw. Biomasse durch eine stoffliche und energetische Nutzung und die Verringerung der Treibhausgasemissionen. Insbesondere bei der Nutzung von Biomasse aus nachhaltiger (Forst-)Wirtschaft erfolgen weniger CO2-Emissionen. Das Verfahren stellt einen Schritt in Richtung Unabhängigkeit von Erdöl- und Kohleimporten, hin zu einer gekoppelten Strom- und Stofferzeugung dar.By the method according to the invention advantageously takes the best possible utilization of the feedstock (domestic) brown coal and hard coal or biomass through a material and energy use and the reduction of greenhouse gas emissions. In particular, the use of biomass from sustainable (forest) economy, less CO 2 emissions. The process represents a step towards independence from oil and coal imports, towards a coupled generation of electricity and materials.

Figurencharacters

1 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Gesamtprozess, der die stoffliche und energetische Nutzung koppelt, indem Energieströme optimal genutzt werden. Kohle bzw. Biomasse (01) wird in einem Hochtemperaturvergaser (1) vergast. Das brennbare Rohgas (12) wird abgekühlt und nach einer Gasaufbereitung (2) der gewünschten Synthese (3) zugeführt. Durch die Abkühlung des Rohgases (12) wird in einem Gas-Gas-Wärmeübertrager das Arbeitsmedium (124) der Gasturbine (4) aufgeheizt. Im offenen Gasturbinenprozess wird Umgebungsluft und im geschlossenen Gasturbinenprozess werden ebenfalls Luft aber auch Helium oder andere Fluide eingesetzt. An die Gasturbine (4) ist ein Generator angeschlossen (nicht dargestellt), der Strom (40) erzeugt. Das Arbeitsmedium (45) hat nach Entspannung in der Gasturbine (4) noch eine hohe Temperatur. Das Arbeitsmedium (45) wird daher nach der Gasturbine (4) in einen herkömmlichen Abhitzekessel (AHK) (5) geführt, in dem die für die Vergasung (1) benötigte Menge an Sattdampf (501) erzeugt wird. Der Sattdampf (501) wird dann dem Vergaser (1) zugeführt. 1 schematically shows the overall process according to the invention, which couples the material and energy use by optimally utilizing energy flows. Coal or biomass ( 01 ) is used in a high-temperature gasifier ( 1 ) gassed. The combustible raw gas ( 12 ) is cooled and after a gas treatment ( 2 ) of the desired synthesis ( 3 ). By the cooling of the raw gas ( 12 ) is in a gas-gas heat exchanger, the working medium ( 124 ) of the gas turbine ( 4 ) heated. In open gas turbine process ambient air and in the closed gas turbine process also air but also helium or other fluids are used. To the gas turbine ( 4 ) is a generator connected (not shown), the current ( 40 ) generated. The working medium ( 45 ) has after relaxation in the gas turbine ( 4 ) still a high temperature. The working medium ( 45 ) is therefore after the gas turbine ( 4 ) in a conventional waste heat boiler (AHK) ( 5 ), in which the gasification ( 1 ) required amount of saturated steam ( 501 ) is produced. The saturated steam ( 501 ) is then the carburetor ( 1 ).

2 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Prozess zur Rückgewinnung der Wärme und deren Umsetzung in Elektroenergie und Heißdampf unter Verwendung eines offenen Gasturbinenprozesses. 2 shows schematically the process according to the invention for the recovery of heat and its conversion into electrical energy and superheated steam using an open gas turbine process.

3 zeigt schematisch die Verwendung eines geschlossenen Gasturbinenprozesses zur Rückgewinnung der Wärme und deren Umsetzung in Elektroenergie und Heißdampf. 3 shows schematically the use of a closed gas turbine process to recover the heat and its conversion into electrical energy and superheated steam.

Ausführungsbeispieleembodiments

Die folgenden Ausführungsbeispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern, ohne jedoch die Erfindung auf diese zu beschränken. Die Beispiele wurden ohne Druckverluste berechnet.The following exemplary embodiments are intended to explain the method according to the invention in more detail, but without limiting the invention to these. The examples were calculated without pressure losses.

Allen vier Ausführungsbeispielen wird ein Vergaser mit den folgenden Leistungsdaten zu Grunde gelegt: Vergaser Feuerungswärmeleistung: 500MW Massenstrom Rohgas: 39,4kg/s Temperatur: 920°C Druck: 30bar Vergasungsmittel Dampf (37bar, gesättigt) 11,9kg/s Sauerstoff (33bar, 240°C) 9,4kg/s All four embodiments are based on a carburettor with the following performance data: carburetor Thermal input: 500MW Mass flow of raw gas: 39,4kg / s Temperature: 920 ° C Print: 30bar gasification agent Steam (37bar, saturated) 11,9kg / s Oxygen (33bar, 240 ° C) 9.4kg / s

Beispiel 1example 1

Es wird auf die Darstellung in 2 Bezug genommen. Der heiße Rohgasstrom (12) aus dem Vergaser wird auf der Primärseite in den Wärmeübertrager (6) eingeleitet. Der Rohgasstrom (12) hat eine Temperatur von 920°C und einen Druck von 30 bar. Er gibt seine Wärme an das Arbeitsmedium (125), in diesem Falle Luft, ab, das verdichtet mit einer Temperatur von 15°C (Luft (120)) in den Sekundärkreis eintritt und den Wärmeübertrager (6) als gekühlter Rohgasstrom (62) bei einer Temperatur von 300°C und einem Druck von ca. 30 bar verlässt. Die Druckluft (125) hat beim Eintritt in den Wärmeübertrager (6) eine Temperatur von 268 °C. Die erhitzte Druckluft (124) verlässt den Wärmeübertrager (6) mit einer Temperatur von 900 °C bei einem Druck von 6,73 bar. Sie wird der Gasturbine zugeleitet, in der die heiße Druckluft (124) sich entspannt und abkühlt und dabei Energie an die Turbine abgibt. Diese treibt dabei neben dem Verdichter (41) auch einen Generator (nicht dargestellt) zur Stromerzeugung an. Die Druckluft (45) verlässt die Turbine (4) bei einer Temperatur von 545 °C und einem Druck von ca. 1 bar. Die heiße Druckluft (45) gelangt nunmehr in den Dampferzeuger (5), der gemeinsam mit dem Vorwärmer (55) als Abhitzekessel wirkt. Die noch heiße Turbinenabluft (45) kühlt sich im Dampferzeuger auf 251 °C und im, in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids gesehen, nachfolgenden Vorwärmer abschließend auf 77 °C bei einem Druck von 1 bar ab. Die nunmehr kühle entspannte Luft (452) (77 °C) verlässt, typisch für einen offenen Turbinenprozess, die Anlage. Im Abhitzekessel (5), bestehend aus Dampferzeuger und Vorwärmer, wird das eintretende Wasser (15°C, 1 bar) (502) zu Sattdampf (501) mit einer Temperatur von 246°C und einem Druck von 37 bar erhitzt. Das im Gegensatz zu herkömmlichen Gasturbinen hier relativ geringe Druckverhältnis von 6,73 ergibt sich aus Optimierungsberechnungen hinsichtlich des besten Wirkungsgrades in Abhängigkeit der vorgegebenen Temperaturen.It is based on the presentation in 2 Referenced. The hot raw gas stream ( 12 ) from the carburetor is on the primary side in the heat exchanger ( 6 ). The crude gas stream ( 12 ) has a temperature of 920 ° C and a pressure of 30 bar. He gives his heat to the working medium ( 125 ), in this case air, compressed at a temperature of 15 ° C (air ( 120 )) enters the secondary circuit and the heat exchanger ( 6 ) as cooled Crude gas stream ( 62 ) leaves at a temperature of 300 ° C and a pressure of about 30 bar. The compressed air ( 125 ) has on entry into the heat exchanger ( 6 ) a temperature of 268 ° C. The heated compressed air ( 124 ) leaves the heat exchanger ( 6 ) with a temperature of 900 ° C at a pressure of 6.73 bar. It is fed to the gas turbine, where the hot compressed air ( 124 ) relaxes and cools while giving off energy to the turbine. This drives next to the compressor ( 41 ) also a generator (not shown) for power generation. The compressed air ( 45 ) leaves the turbine ( 4 ) at a temperature of 545 ° C and a pressure of about 1 bar. The hot compressed air ( 45 ) now enters the steam generator ( 5 ), which together with the preheater ( 55 ) acts as a waste heat boiler. The still hot turbine exhaust ( 45 ) Cools in the steam generator to 251 ° C and, seen in the flow direction of the working fluid, subsequent preheater finally to 77 ° C at a pressure of 1 bar. The now cool relaxed air ( 452 ) (77 ° C) leaves the plant, typical of an open turbine process. In the waste heat boiler ( 5 ), consisting of steam generator and preheater, the incoming water (15 ° C, 1 bar) ( 502 ) to saturated steam ( 501 ) heated at a temperature of 246 ° C and a pressure of 37 bar. The relatively low pressure ratio of 6.73, in contrast to conventional gas turbines, results from optimization calculations with regard to the best efficiency as a function of the given temperatures.

Beispiel 2Example 2

Es wird auf die Darstellung in 3 Bezug genommen. Der heiße Rohgasstrom (12) aus dem Vergaser wird auf der Primärseite in den Wärmeübertrager (6) eingeleitet. Der Rohgasstrom (12) hat eine Temperatur von 920°C und einen Druck von 30 bar. Er gibt seine Wärme an das Arbeitsmedium (125), in diesem Falle Luft, ab, das im Sekundärkreis zirkuliert und verlässt den Wärmeübertrager (6) als gekühlter Rohgasstrom (62) bei einer Temperatur von 300°C und einem Druck von ca. 30 bar (abzüglich Druckverluste). Die erhitzte Druckluft (124) verlässt den Wärmeübertrager (6) mit einer Temperatur von 900°C bei einem Druck von 4,71 bar. Sie wird der Gasturbine zugeleitet, in der die heiße Druckluft (124) sich entspannt und abkühlt und dabei Energie an die Turbine abgibt. Diese treibt dabei neben dem Verdichter (41) auch einen Generator (nicht dargestellt) zur Stromerzeugung an. Die Druckluft (45) verlässt die Turbine (4) bei einer Temperatur von 600 °C und einem Druck von 1 bar. Die noch heiße Turbinenabluft (45) gelangt nunmehr in den Dampferzeuger (5), der gemeinsam mit dem Vorwärmer (55) als Abhitzekessel wirkt. Die heiße Turbinenabluft (45) kühlt sich im Dampferzeuger auf 251 °C und im, in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids gesehen, nachfolgenden Vorwärmer abschließend auf 43 °C bei einem Druck von 1 bar ab. Die nunmehr kühle entspannte Luft (452) wird, typisch für einen geschlossenen Turbinenprozess, dem Verdichter (41) zugeführt, der, von der Turbine (4) angetrieben, die Luft (452) erneut auf einen Druck von 4,71 bar verdichtet. Die Druckluft (125) hat beim Eintritt in den Wärmeübertrager eine Temperatur von 257 °C. Im Abhitzekessel (5), bestehend aus Dampferzeuger und Vorwärmer, wird das eintretende Wasser (15°C, 1 bar) (502) zu Sattdampf (501) mit einer Temperatur von 246°C und einem Druck von 37 bar erhitzt.It is based on the presentation in 3 Referenced. The hot raw gas stream ( 12 ) from the carburetor is on the primary side in the heat exchanger ( 6 ). The crude gas stream ( 12 ) has a temperature of 920 ° C and a pressure of 30 bar. He gives his heat to the working medium ( 125 ), in this case air, which circulates in the secondary circuit and leaves the heat exchanger ( 6 ) as a cooled crude gas stream ( 62 ) at a temperature of 300 ° C and a pressure of about 30 bar (minus pressure losses). The heated compressed air ( 124 ) leaves the heat exchanger ( 6 ) with a temperature of 900 ° C at a pressure of 4.71 bar. It is fed to the gas turbine, where the hot compressed air ( 124 ) relaxes and cools while giving off energy to the turbine. This drives next to the compressor ( 41 ) also a generator (not shown) for power generation. The compressed air ( 45 ) leaves the turbine ( 4 ) at a temperature of 600 ° C and a pressure of 1 bar. The still hot turbine exhaust ( 45 ) now enters the steam generator ( 5 ), which together with the preheater ( 55 ) acts as a waste heat boiler. The hot turbine exhaust ( 45 ) Cools in the steam generator to 251 ° C and, seen in the flow direction of the working fluid, subsequent preheater finally to 43 ° C at a pressure of 1 bar. The now cool relaxed air ( 452 ), typical of a closed turbine process, the compressor ( 41 ), which, from the turbine ( 4 ), the air ( 452 ) again compressed to a pressure of 4.71 bar. The compressed air ( 125 ) has a temperature of 257 ° C when entering the heat exchanger. In the waste heat boiler ( 5 ), consisting of steam generator and preheater, the incoming water (15 ° C, 1 bar) ( 502 ) to saturated steam ( 501 ) heated at a temperature of 246 ° C and a pressure of 37 bar.

Beispiel 3Example 3

Es wird ebenfalls auf die Darstellung in 3 Bezug genommen. Der heiße Rohgasstrom (12) aus dem Vergaser wird auf der Primärseite in den Wärmeübertrager (6) eingeleitet. Der Rohgasstrom (12) hat eine Temperatur von 920°C und einen Druck von 30 bar. Er gibt seine Wärme an das Arbeitsmedium (125), in diesem Falle Helium, ab, das im Sekundärkreis zirkuliert und verlässt den Wärmeübertrager (6) als gekühlter Rohgasstrom (62) bei einer Temperatur von 300°C und einem Druck von ca. 30 bar. Das erhitzte Helium (124) verlässt den Wärmeübertrager (6) mit einer Temperatur von 900°C bei einem Druck von 2,68 bar. Sie wird der Gasturbine zugeleitet, in der das heiße Helium (124) sich entspannt und abkühlt und dabei Energie an die Turbine abgibt. Diese treibt dabei neben dem Verdichter (41) auch einen Generator (nicht dargestellt) zur Stromerzeugung an. Das Helium (45) verlässt die Turbine (4) bei einer Temperatur von 594 °C und einem Druck von 1 bar. Das heiße Helium gelangt nunmehr in den Dampferzeuger (5), der gemeinsam mit dem Vorwärmer (55) als Abhitzekessel wirkt. Das heiße Helium (45) kühlt sich im Dampferzeuger auf 251 °C und im, in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids gesehen, nachfolgenden Vorwärmer abschließend auf 57 °C bei einem Druck von 1 bar ab. Das nunmehr kühle entspannte Helium (452) wird, dem Verdichter (41) zugeführt, der, von der Turbine (4) angetrieben, das Helium (452) erneut auf einen Druck von 2,68 bar verdichtet. Das verdichtete Helium (125) hat beim Eintritt in den Wärmeübertrager (6) eine Temperatur von 256 °C. Im Abhitzekessel (5), bestehend aus Dampferzeuger und Vorwärmer, wird das eintretende Wasser (15°C, 1 bar) (502) zu Sattdampf (501) mit einer Temperatur von 246°C und einem Druck von 37 bar erhitzt.It is also on the representation in 3 Referenced. The hot raw gas stream ( 12 ) from the carburetor is on the primary side in the heat exchanger ( 6 ). The crude gas stream ( 12 ) has a temperature of 920 ° C and a pressure of 30 bar. He gives his heat to the working medium ( 125 ), in this case helium, which circulates in the secondary circuit and leaves the heat exchanger ( 6 ) as a cooled crude gas stream ( 62 ) at a temperature of 300 ° C and a pressure of about 30 bar. The heated helium ( 124 ) leaves the heat exchanger ( 6 ) at a temperature of 900 ° C at a pressure of 2.68 bar. It is fed to the gas turbine, where the hot helium ( 124 ) relaxes and cools while giving off energy to the turbine. This drives next to the compressor ( 41 ) also a generator (not shown) for power generation. Helium ( 45 ) leaves the turbine ( 4 ) at a temperature of 594 ° C and a pressure of 1 bar. The hot helium now enters the steam generator ( 5 ), which together with the preheater ( 55 ) acts as a waste heat boiler. The hot helium ( 45 ) Cools in the steam generator to 251 ° C and, seen in the flow direction of the working fluid, subsequent preheater finally to 57 ° C at a pressure of 1 bar. The now cool relaxed helium ( 452 ), the compressor ( 41 ), which, from the turbine ( 4 ), the helium ( 452 ) again compressed to a pressure of 2.68 bar. The compressed helium ( 125 ) has on entry into the heat exchanger ( 6 ) a temperature of 256 ° C. In the waste heat boiler ( 5 ), consisting of steam generator and preheater, the incoming water (15 ° C, 1 bar) ( 502 ) to saturated steam ( 501 ) heated at a temperature of 246 ° C and a pressure of 37 bar.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

0101
Kohle/Biomasse und Vergasungsmittel Coal / biomass and gasification agent
11
Vergasung gasification
12 12
Rohgasstromraw gas stream
120120
kühle Luft als Arbeitsmedium des offenen Gasturbinenprozesses cool air as a working medium of the open gas turbine process
124124
erhitztes Gasturbinenarbeitsmedium heated gas turbine working medium
125125
verdichtetes, noch nicht erhitztes Gasturbinenarbeitsmedium compressed, not yet heated gas turbine working medium
2 2
Gasaufbereitung gas processing
2323
Synthesegasstrom (gekühltes und gereinigtes Rohgas) Synthesis gas stream (cooled and purified raw gas)
33
Synthese (z. B. FT, SNG, DME, Methanolsynthese) Synthesis (eg FT, SNG, DME, methanol synthesis)
3030
Produktstrom product flow
44
Indirekt beheizte Gasturbine (Luft, He, Ar ...) Indirectly heated gas turbine (Air, He, Ar ...)
4040
durch an die Gasturbine angekoppelten Generator erzeugter elektrischer Strom electrical power generated by the generator coupled to the gas turbine
4141
Verdichter für den indirekt beheizten Gasturbinenprozess Compressor for indirectly heated gas turbine process
4545
Arbeitsmedium mit Restwärme nach Gasturbinenaustritt Working medium with residual heat after gas turbine outlet
451451
Arbeitsmedium zwischen Verdampfung und Vorwärmung Working medium between evaporation and preheating
452452
kühles Arbeitsmedium nach dem Abhitzekessel cool working medium after the waste heat boiler
55
Abhitzekessel waste heat boiler
5555
Vorwärmer des Abhitzekessels Preheater of the waste heat boiler
501501
Dampfstrom zur Nutzung als Vergasungsmittel oder Prozessdampf für weitere Anwendungen Steam flow for use as a gasification agent or process steam for other applications
502502
Speisewasser feedwater
66
Wärmeübertrager Heat exchanger
6262
gekühlter Rohgasstrom cooled crude gas stream
77
Speisewasserpumpe Feedwater pump

Zitierte NichtpatentliteraturQuoted non-patent literature

  • [1] Pause, J.; Beckmann, M.: Neue Anwendungsgebiete für Wärmerohre. In: Hufenbach, W. A. (Hrsg.): Tagungsband Internationales Kolloquium des Spitzentechnologieclusters ECEMP 2010. TU Dresden, 2010. S. 215–225. ISBN 978-3-00-032522-9 [1] Pause, J .; Beckmann, M .: New applications for heat pipes. In: Hufenbach, WA (ed.): Proceedings of the International Colloquium of the Leading Technology Cluster ECEMP 2010. TU Dresden, 2010. p. 215-225. ISBN 978-3-00-032522-9
  • [2] Unz, S.; Beckmann, M.: Berechnungsverfahren für die Auslegung von keramischen Wärmerohr-Wärmeübertragern. In: Hufenbach, W.A.; Gude, M.: ECEMP-European Centre for Emerging Materials and Processes Dresden-Internationales Kolloquium des Spitzentechnologieclusters ECEMP 2011. Dresden 2011. ISBN 978-3-942267-43-4 [2] Unz, S .; Beckmann, M .: Calculation method for the design of ceramic heat pipe heat exchangers. In: Hufenbach, WA; Gude, M .: ECEMP-European Center for Emerging Materials and Processes Dresden-International Colloquium of the Leading Technology Cluster ECEMP 2011. Dresden 2011. ISBN 978-3-942267-43-4

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 4099383 A [0005, 0005] US 4099383 A [0005, 0005]
  • DE 2821413 C2 [0006] DE 2821413 C2 [0006]
  • DE 102012209052 [0015] DE 102012209052 [0015]

Claims (8)

Verfahren zur energetisch optimierten Synthesegaserzeugung, bei dem in einer Vergasungsvorrichtung unter Dampfeinsatz ein Synthesegas erzeugt wird, das in einem kontaktlosen Wärmeübertrager gekühlt und nach Austritt aus dem Wärmeübertrager stofflich genutzt wird, wobei im Wärmeübertrager ein Arbeitsmedium einer Gasturbine erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium nach dem Austritt aus der Gasturbine einem Abhitzekessel zugeführt wird, wo es Restwärme abgibt, die zur Dampferzeugung genutzt wird.Process for the energetically optimized production of synthesis gas, in which a synthesis gas is produced in a gasification apparatus under steam use, which is cooled in a contactless heat exchanger and used material after exiting the heat exchanger, wherein in the heat exchanger, a working fluid of a gas turbine is heated, characterized in that the working medium is fed after exiting the gas turbine to a waste heat boiler, where it emits residual heat, which is used to generate steam. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium in einem geschlossenen Gasturbinenprozess im Kreis geführt wird.A method according to claim 1, characterized in that the working medium is guided in a closed gas turbine process in a circle. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium Luft, Wasserdampf, Argon, Stickstoff oder ein anderes gegenüber den Materialien der Gasturbine inertes Gas eingesetzt wird.A method according to claim 2, characterized in that is used as the working medium air, water vapor, argon, nitrogen or another gas inert to the materials of the gas turbine. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium in einem offenen Gasturbinenprozess eingesetzt wird.A method according to claim 1, characterized in that the working medium is used in an open gas turbine process. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium Luft oder Wasserdampf genutzt wird.A method according to claim 4, characterized in that air or water vapor is used as the working medium. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Dampf der Vergasungsvorrichtung zur Erzeugung des Synthesegases zugeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the generated steam is supplied to the gasification device for generating the synthesis gas. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeübertrager ein Hochtemperaturwärmeübertrager mit keramischen Wärmerohren eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a high-temperature heat exchanger with ceramic heat pipes is used as the heat exchanger. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager mehrstufig ausgeführt ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger is designed in multiple stages.
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