DE102013219254B4 - Energetically optimized process for the material use of coal / biomass - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur energetisch optimierten Synthesegaserzeugung, bei dem in einer Vergasungsvorrichtung (1) unter Dampfeinsatz (501) ein Synthesegas (12) erzeugt wird, das in einem kontaktlosen Hochtemperaturwärmeübertrager (6) gekühlt und nach Austritt aus dem Hochtemperaturwärmeübertrager (6) stofflich genutzt wird, wobei im Hochtemperaturwärmeübertrager (6) ein Arbeitsmedium (125) einer Gasturbine (4) erhitzt wird und das Arbeitsmedium nach dem Austritt aus der Gasturbine (4) einem Abhitzekessel (5) zugeführt wird, wo es Restwärme abgibt, die zur Dampferzeugung genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium Luft (120) in einem offenen Gasturbinenprozess eingesetzt wird und der Hochtemperaturwärmeübertrager (6) mit keramischen Wärmerohren ausgeführt ist.Method for the energetically optimized synthesis gas production, in which a synthesis gas (12) is generated in a gasification device (1) using steam (501), which is cooled in a contactless high-temperature heat exchanger (6) and is used as a material after exiting the high-temperature heat exchanger (6) a working medium (125) of a gas turbine (4) is heated in the high-temperature heat exchanger (6) and the working medium is fed to a waste heat boiler (5) after exiting the gas turbine (4), where it emits residual heat that is used to generate steam, characterized in that that air (120) is used as the working medium in an open gas turbine process and the high-temperature heat exchanger (6) is designed with ceramic heat pipes.

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 relates to a method in which the energy balance in the material use 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 raw materials for the chemical industry, the primary energy source (coal or biomass) is first converted into a gas (gasified) according to the prior art. With Winkler gasification under pressure (- 30 bar) and at high temperature (outlet temperature - 890 - 950 ° C), high conversion rates from feedstock to product gas are achieved. Since this gasification is allothermic, an external energy input into the process is required. This can be done with the gasification agent saturated steam. Since the gasification energy has to be provided externally, the process is very energy-intensive.

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 flammable gas at approx. 920 ° C, which has to be cooled before gas cleaning and subsequent synthesis (e.g. Fischer-Tropsch, SNG, DME synthesis). This entire process chain of gasification and subsequent synthesis is not yet economically feasible. An energetic improvement of the overall process is therefore necessary in order 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 viability of biomass gasification processes and the subsequent material use, various processes are being tested on a pilot plant scale. In the previously known methods, there is either a purely material or a purely energetic use:
  • There are a number of solutions that aim to improve the overall efficiency of the processes. Typically, heat recovery and utilization methods are proposed.

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 4 099 383 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. Among other things, it is described that a gas stream (synthesis gas, pyrolysis gas) from a gas generator is passed through a contactless heat exchanger (recuperator). A heat transfer medium is heated in this heat exchanger. Water, helium, nitrogen and argon are explicitly named as the heat transfer medium. 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 from the heat transfer medium is used to preheat the oxygen carrier for gasification. In the US 4,099,383 A. In-process generation of the steam required for gasification is provided, this is done from the raw gas of the gasifier. This procedure has a number of disadvantages: higher corrosion of the steam generator, since it is traversed by unpurified raw gas (high alkali and dust content); Lower efficiency, since additional cooling may be required in the gas turbine process so that it can be operated in a closed manner, as a result of which the waste heat cannot be ideally used.

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 gases containing H 2 and CO are generated 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 steam flow is created. This is optionally partially used in a turbine for energy generation. Another part of the superheated steam is added to the synthesis gas stream. Metallic or ceramic materials are named as the material for the high-temperature heat exchanger. The whereabouts of the steam emerging from the turbine and its residual heat are not discussed in detail.

In der DE 10 2008 055 947 A1 wird eine Wärmerohrkonstruktion vorgestellt, die für wasserstoffreiche Hochtemperaturumgebungen, wie sie z. B. in allothermen Dampfreformern herrschen, geeignet ist. Das Wärmerohr hat eine Rohrhülle aus Metall, in deren Rohrhülleninneren ein Wärmeträgermedium eingeschlossen ist, wobei das Wärmeträgermedium zwischen einem Wärme aufnehmenden Ende des Wärmerohrs und einem Wärme abgebenden Ende des Wärmerohrs zirkuliert. Das Wärmeträgermedium verdampft am wärmeaufnehmenden Ende des Wärmerohres und kondensiert am wärmeangebenden Ende. Bevorzugt weist das Wärmerohr optional zumindest am wärmeabgebenden Ende eine keramische Umhüllung um die Rohrhülle auf.In the DE 10 2008 055 947 A1 a heat pipe construction is presented, which is suitable for hydrogen-rich high-temperature environments, such as e.g. B. prevail in allothermic steam reformers, is suitable. The heat pipe has a metal tube cover, in the interior of which a heat transfer medium is enclosed, the heat transfer medium circulating between a heat-absorbing end of the heat tube and a heat-emitting end of the heat tube. The heat transfer medium evaporates at the heat-absorbing end of the heat pipe and condenses at the heat-supplying end. Preferably, the heat pipe optionally has a ceramic covering around the pipe shell at least at the heat-emitting end.

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 to produce synthetic substances have so far been inefficient. So far, no combined material and energetic use of biomass based on gasification with high effectiveness has been realized. 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 state-of-the-art processes often only use waste heat sources to a limited extent. The 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 use of coal / biomass, through 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 with the method mentioned in claim 1. Advantageous refinements of the method are the subject 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 object is achieved by coupling the material with the energetic use. By transferring an energy flow from the raw gas to an indirectly heated gas turbine at a high temperature level, electricity and steam are also generated in addition to the synthetic substances, with the steam preferably being used within the overall process in order to cover or partially cover the gasification agent requirement. The raw gas is preferably used for material use (e.g. Fischer-Tropsch synthesis) after cooling and gas conditioning. However, the raw gas can also be used for other prior art processes.

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 electricity generation and internal heat use for the provision of steam for the gasification process. The material use is made possible by a carburetor according to the prior art 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 approx. 30 bar). The resulting combustible raw gas preferably has a temperature in the range from 750 ° C. to 1100 ° C., particularly preferably from 820 ° C. to 1000 ° C. and very particularly preferably from approximately 890 ° C. to 950 ° C. and a pressure preferably in the range from 25 bar to 50 bar, particularly preferably from 28 bar to 45 bar and very particularly preferably in the range from 30 bar to 40 bar. It is cooled and, after gas conditioning (cleaning / dedusting), is fed to the desired synthesis. Synthetic products can 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, optionally after pre-dedusting (e.g. in a cyclone or by means of ceramic filter cartridges), is fed into the primary circuit of a heat exchanger for cooling, whereby a preferably gaseous working medium that is conducted in the secondary circuit 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 209 052 A1 beschrieben, ermöglicht, der die Wärme vom Rohgas an das verdichtete Gasturbinenarbeitsmedium überträgt.The waste heat flows from the raw gas are thus advantageously used to drive an indirectly heated gas turbine process to generate electricity. This is preferred by an innovative ceramic high-temperature heat exchanger, as in [1], [2], or in the DE 10 2012 209 052 A1 described, allows that transfers the heat from the raw gas to the compressed gas turbine working medium.

Das Arbeitsmedium tritt, je nach Prozessführung (offen), 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), depending on the compressor ratio and medium, preferably at a temperature in the range from 150 ° C. to 350 ° C., particularly preferably from 200 ° C. to 300 ° C. and very particularly preferably from 240 ° C. to 290 ° C. and a pressure of preferably 2 bar to 30 bar, particularly preferably 2 bar to 20 bar and very particularly preferably 2.5 bar to 10 bar, into the recuperator and at a temperature in the range of preferably 600 ° C. to 910 ° C, particularly preferably from 700 ° C to 900 ° C and very particularly preferably from 800 ° C to 900 ° C from the heat exchanger. It preferably reaches a temperature of up to 900 ° C. (The higher the outlet temperature of the working medium, the higher the efficiency of the gas turbine process. However, it cannot reach the raw gas temperature at the inlet to the heat exchanger (preferably 920 ° C).)

Erfindungsgemäß kommt als Arbeitsmedium Luftin einem offenen Gasturbinenprozess (ggf. mit Wasser- bzw. Wasserdampfeindüsung) zum Einsatz.. 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.According to the invention, air is used as the working medium in an open gas turbine process (possibly with water or steam injection). Since the raw gas is at a very high temperature, a high-temperature heat exchanger (recuperator) is preferred for extracting the heat from the raw gas stream. This preferably consists of ceramic, particularly preferably it has ceramic heat pipes. Particularly advantageously, the use of the high-temperature heat exchanger based on heat pipes enables a large temperature spread between the incoming and outgoing raw gas. However, other types of heat exchangers from the prior art can also be used, provided that the expected service life is long.

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.It is also preferred that the heat exchanger is designed in several stages, the first stage, viewed from a raw gas flow perspective, being particularly temperature-resistant (preferably high-temperature heat exchanger with ceramic heat pipes), while the other stages are also either with a heat exchanger with heat pipes, possibly not ceramic and with other working media for the corresponding temperature range, or with a conventional design (e.g. tubular heat exchanger made of metallic materials). The particularly expensive high-temperature heat exchanger is advantageously limited to the necessary area of application. The working medium of the gas turbine process is advantageously carried out in counterflow, so that it is the heat exchanger of the last and possibly flows through middle stages before it is led into the heat exchanger of the first stage.

Im offenen Gasturbinenprozess wird bevorzugt Umgebungsluft eingesetzt.Ambient air is preferably used in the open gas turbine process.

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 is still at a high temperature after the gas turbine. The turbine outlet temperature is preferably in the range from 500 ° C. to 700 ° C., particularly preferably from 520 ° C. to 650 ° C. and very particularly preferably from 540 ° C. to 610 ° C. The working medium is therefore led after the gas turbine into a conventional waste heat boiler (AHK), in which the amount of steam (preferably saturated steam) required for the gasification is generated completely or at least partially. The waste heat boiler can also have a multi-stage heat exchanger. With this process control, no year-round heat consumer is advantageously necessary, since the heat is used internally for the gasification process. With the energetic use of biomass as it is currently being operated and researched, a heat sink is always necessary in order to make electricity generation ecologically sensible and economical. The present invention eliminates the need for district heating, since the waste heat flows are preferably used to support material use. In the open gas turbine process, only air emerges at a temperature in the range from 60 ° C. to 90 ° C., preferably from approx. 77 ° C.

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.The process according to the invention advantageously makes the best possible use of the feedstocks (domestic) lignite and hard coal or biomass through material and energetic use and the reduction of greenhouse gas emissions. In particular when using biomass from a sustainable (forestry) economy, there are fewer CO 2 emissions. The process represents a step towards independence from oil and coal imports, towards coupled electricity and material production.

FigurenlisteFigure list

  • 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 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 energetic use by making optimal use of energy flows. Coal or biomass ( 01 ) is in a high temperature carburetor ( 1 ) gasified. The combustible raw gas ( 12th ) is cooled and after gas treatment ( 2nd ) the desired synthesis ( 3rd ) fed. By cooling the raw gas ( 12th ) the working medium in a gas-gas heat exchanger ( 124 ) the gas turbine ( 4th ) heated up. Ambient air is used in the open gas turbine process. To the gas turbine ( 4th ) a generator is connected (not shown), the current ( 40 ) generated. The working medium ( 45 ) after relaxation in the gas turbine ( 4th ) still a high temperature. The working medium ( 45 ) is therefore after the gas turbine ( 4th ) 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 ) fed.
  • 2 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Prozess zur Rückgewinnung der Wärme und deren Umsetzung in Elektroenergie und Heißdampf unter Verwendung eines offenen Gasturbinenprozesses. 2nd 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, nicht erfindugsgemäßen Gasturbinenprozesses zur Rückgewinnung der Wärme und deren Umsetzung in Elektroenergie und Heißdampf. 3rd shows schematically the use of a closed gas turbine process not according to the invention for recovering the heat and its implementation in 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 process according to the invention in more detail, but without restricting the invention to these. The examples were calculated without pressure losses.

Allen vier Ausführungsbeispielen wird ein Vergaser mit den folgenden Leistungsdaten zu Grunde gelegt:All four embodiments are based on a carburetor with the following performance data:

Vergaser Feuerungswärmeleistung: 500MW Massenstrom Rohgas: 39,4kg/s Temperatur: 920°C Druck: 30bar Carburetor Firing heat output: 500MW Mass flow of raw gas: 39.4kg / s Temperature: 920 ° C Pressure: 30bar

Vergasungsmittel Dampf (37bar, gesättigt) 11,9kg/s Sauerstoff (33bar, 240°C) 9,4kg/s Gasifying 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 representation in 2nd Referred. The hot raw gas stream ( 12th ) from the carburetor to the heat exchanger on the primary side ( 6 ) initiated. The raw gas stream ( 12th ) has a temperature of 920 ° C and a pressure of 30 bar. It gives its heat to the working medium ( 125 ), in this case air, which compresses at a temperature of 15 ° C (air ( 120 )) enters the secondary circuit and the heat exchanger ( 6 ) as a cooled raw gas stream ( 62 ) at a temperature of 300 ° C and a pressure of approx. 30 bar. The compressed air ( 125 ) has when entering 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, in which the hot compressed air ( 124 ) relaxes and cools down, releasing energy to the turbine. This drives next to the compressor ( 41 ) also a generator (not shown) to generate electricity. The compressed air ( 45 ) leaves the turbine ( 4th ) at a temperature of 545 ° C and a pressure of approx. 1 bar. The hot compressed air ( 45 ) now gets into the steam generator ( 5 ) which, together with the preheater ( 55 ) acts as a waste heat boiler. The still hot turbine exhaust air ( 45 ) cools in the steam generator to 251 ° C and in the subsequent preheater, viewed in the direction of flow of the working fluid, finally to 77 ° C at a pressure of 1 bar. The now cool, relaxed air ( 452 ) (77 ° C) leaves the plant, typical for an open turbine process. In the waste heat boiler ( 5 ), consisting of steam generator and preheater, the incoming water (15 ° C, 1 bar) (502) becomes saturated steam ( 501 ) heated to a temperature of 246 ° C and a pressure of 37 bar. In contrast to conventional gas turbines, the relatively low pressure ratio of 6.73 results from optimization calculations with regard to the best efficiency depending on the specified temperatures.

BezugszeichenlisteReference list

0101
Kohle/Biomasse und VergasungsmittelCoal / biomass and gasification agents
11
Vergasunggasification
1212th
RohgasstromRaw gas flow
120120
kühle Luft als Arbeitsmedium des offenen Gasturbinenprozessescool air as the working medium of the open gas turbine process
124124
erhitztes Gasturbinenarbeitsmediumheated gas turbine working medium
125125
verdichtetes, noch nicht erhitztes Gasturbinenarbeitsmediumcompressed, not yet heated gas turbine working medium
22nd
GasaufbereitungGas processing
2323
Synthesegasstrom (gekühltes und gereinigtes Rohgas)Syngas flow (cooled and purified raw gas)
33rd
Synthese (z. B. FT, SNG, DME, Methanolsynthese)Synthesis (e.g. FT, SNG, DME, methanol synthesis)
3030th
ProduktstromProduct stream
44th
Indirekt beheizte Gasturbine (Luft, He, Ar...)Indirectly heated gas turbine (air, He, Ar ...)
4040
durch an die Gasturbine angekoppelten Generator erzeugter elektrischer Stromelectrical current generated by the generator coupled to the gas turbine
4141
Verdichter für den indirekt beheizten GasturbinenprozessCompressors for the indirectly heated gas turbine process
4545
Arbeitsmedium mit Restwärme nach GasturbinenaustrittWorking medium with residual heat after gas turbine outlet
451451
Arbeitsmedium zwischen Verdampfung und VorwärmungWorking medium between evaporation and preheating
452452
kühles Arbeitsmedium nach dem Abhitzekesselcool working medium after the waste heat boiler
55
AbhitzekesselWaste heat boiler
5555
Vorwärmer des AbhitzekesselsPreheater of the waste heat boiler
501501
Dampfstrom zur Nutzung als Vergasungsmittel oder Prozessdampf für weitere AnwendungenSteam flow for use as a gasifying agent or process steam for other applications
502502
SpeisewasserFeed water
66
WärmeübertragerHeat exchanger
6262
gekühlter Rohgasstromcooled raw gas flow
77
SpeisewasserpumpeFeed water pump

Zitierte NichtpatentliteraturNon-patent literature cited

  • [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 areas of application for heat pipes. In: Hufenbach, WA (ed.): Conference proceedings International Colloquium of the high-tech cluster ECEMP 2010. TU Dresden, 2010. pp. 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 Top Technology Cluster ECEMP 2011. Dresden 2011. ISBN 978-3-942267-43-4

Claims (3)

Verfahren zur energetisch optimierten Synthesegaserzeugung, bei dem in einer Vergasungsvorrichtung (1) unter Dampfeinsatz (501) ein Synthesegas (12) erzeugt wird, das in einem kontaktlosen Hochtemperaturwärmeübertrager (6) gekühlt und nach Austritt aus dem Hochtemperaturwärmeübertrager (6) stofflich genutzt wird, wobei im Hochtemperaturwärmeübertrager (6) ein Arbeitsmedium (125) einer Gasturbine (4) erhitzt wird und das Arbeitsmedium nach dem Austritt aus der Gasturbine (4) einem Abhitzekessel (5) zugeführt wird, wo es Restwärme abgibt, die zur Dampferzeugung genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium Luft (120) in einem offenen Gasturbinenprozess eingesetzt wird und der Hochtemperaturwärmeübertrager (6) mit keramischen Wärmerohren ausgeführt ist.Method for the energetically optimized synthesis gas production, in which a synthesis gas (12) is generated in a gasification device (1) using steam (501), which is cooled in a contactless high-temperature heat exchanger (6) and is used as a material after exiting the high-temperature heat exchanger (6) a working medium (125) of a gas turbine (4) is heated in the high-temperature heat exchanger (6) and the working medium is fed to a waste heat boiler (5) after exiting the gas turbine (4), where it emits residual heat that is used to generate steam, characterized in that that air (120) is used as the working medium in an open gas turbine process and the high-temperature heat exchanger (6) is designed with ceramic heat pipes. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Dampf (501) der Vergasungsvorrichtung (1) zur Erzeugung des Synthesegases (12) zugeführt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the generated steam (501) is fed to the gasification device (1) for generating the synthesis gas (12). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturwärmeübertrager (6) mit keramischen Wärmerohren mehrstufig ausgeführt ist. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the high-temperature heat exchanger (6) is designed in several stages with ceramic heat pipes.
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