DE102016003927A1 - Kombinationskraftwerk eines Kohlevergasers, eines Dampfkraftwerks und eines Wasserstoffmotors zur Energiegewinnung aus Kohle oder, durch vorgelagerte hydrothermale Karbonisierung, aus beliebiger Biomasse, mit optionaler Methanolherstellung - Google Patents

Kombinationskraftwerk eines Kohlevergasers, eines Dampfkraftwerks und eines Wasserstoffmotors zur Energiegewinnung aus Kohle oder, durch vorgelagerte hydrothermale Karbonisierung, aus beliebiger Biomasse, mit optionaler Methanolherstellung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Kombination eines Kohlevergasers, eines Dampfkraftwerks und eines Wasserstoffmotors zur Energiegewinnung aus Kohle oder, durch vorgelagerte hydrothermale Karbonisierung, aus beliebiger Biomasse, mit optionaler Methanolherstellung. Ein bekanntes Verfahren zur Energiegewinnung aus Kohle ist ein herkömmliches Dampfkraftwerk. Das vorgestellte Verfahren erweitert ein Dampfkraftwerk um einen Kohlevergaser und einen Wasserstoffmotor. Ersterer beheizt den Kessel des Dampfkraftwerks, die entstehenden Vergasungsprodukte werden über eine Wassergas-Shift-Reaktion mit Wasser zu hauptsächlich Wasserstoff oxidiert, welcher im Wasserstoffmotor oxidert wird und einen weiteren Stromgenerator antreibt. Das erhitzte Abgas dieses Prozesses wird zur Vorwärmung des Speisewassers des Dampfkraftwerks benutzt. Weiterhin kann das Kombinationskraftwerk auch mittels vorgelagerter hydrothermalen Karbonisierung mit beliebiger Biomasse betrieben werden. Insgesamt erhöht sich dadurch der Gesamtwirkungsgrad bezogen auf die Menge der Ausgangskohle gegenüber einem konventionellen Dampfkraftwerk.

Description

  • Die Erfindung betrifft die Kombination eines Kohlevergasers, eines Dampfkraftwerks und eines Wasserstoffmotors zur Energiegewinnung aus Kohle oder, durch vorgelagerte hydrothermale Karbonisierung, aus beliebiger Biomasse, mit optionaler Methanolherstellung.
  • Stand der Technik
  • Von Friedrich Bergius erforscht und erstmals im Jahre 1913 beschrieben ist die hydrothermale Karbonisierung ein chemisches Verfahren, um aus beliebiger Biomasse Braunkohle, Synthesegas, flüssigen Erdöl-Vorstufen und Humus unter Freisetzung von Energie herzustellen.
  • Zu Beginn des 19. Jahrhunderts entwickelte die englische Leuchtgasindustrie Verfahren zur Kohlevergasung. Es wurden im Laufe der Zeit verschiedene Verfahren zur Kohlevergasung entwickelt, je nach Art der Kohle, Körnigkeit und gewünschten Endprodukten. So ist z. B. der Koppers-Totzek-Reaktor ein in den 1940er Jahren von Friedrich Totzek entwickelter Vergaser zur drucklosen Flugstromvergasung von Feinkohle. Der Reaktor wurde erstmals im Jahr 1952 in einem kommerziellen Verfahren eingesetzt. Die feine Kohle mit einer Körnung von kleiner als 0,1 Millimeter wird mit Wasser und Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit seitlich in den Reaktor eingespeist und die entstehenden Hauptprodukte sind Kohlenmonoxid und Wasserstoff.
  • Die bekannte Wassergas-Shift-Reaktion ist ein Verfahren zur Verringerung des Kohlenstoffmonoxid-Anteils in Synthesegas und zur Erzeugung von Wasserstoff.
  • Ein Wasserstoffmotor wird, wie ein konventioneller Verbrennungsmotor, mit Wasserstoff als Kraftstoff betrieben. Grundlage ist die Knallgasreaktion in einem Kolbenrotationszylinder. Der Gesamtprozess arbeitet dabei nach dem Ottoprinzip, wie in herkömmlichen Ottomotoren.
  • Weiterhin bekannt sind Dampfkraftwerke, als die vorherrschende Bauart eines Kraftwerks zur Stromerzeugung, bei der die thermische Energie von Wasserdampf in einer Dampfturbine ausgenutzt wird. Im prinzipiellen Aufbau bestehen sie aus einer Wärmequelle, dem Dampferzeuger, einer oder mehreren Turbinen mit Generator und einer Kühlung.
  • Aus DE 00 0002 933 402 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem bereits zerkleinerte und getrocknete Feststoffe, wie auch Biomasse, einer zweistufigen Pyrolyse unterzogen werden. Der erhitzte Feinkoks wird durch Wasserdampf vergast, die Vergasungsprodukte vom Feinkoks getrennt und der Feinkoks daraufhin als Heizmittel in die erste Pyrolysestufe eingeleitet.
  • Aus DE 00 0003 320 227 A1 ist ein Verfahren bekannt, das ein Kraftwerk mit integrierter Kohlevergasung darstellt und zusätzlich aus einer Methanolsyntheseanlage besteht. Das erzeugte Methanol sowie die Methanolsyntheseabgase werden zumindest teilweise einer Brennkammer des Gasturbinenkraftwerkteils zugeführt.
  • Aufgabenstellung
  • Die Energiegewinnung auf Kohlebasis erfolgt derzeit in Dampfkraftwerken, bei denen der Kohlenstoff unter Energieabgabe innerhalb des Heizkessels des Kraftwerks einmal oxidiert wird.
  • Die Vorerwärmung des zirkulierenden Speisewassers erfolgt dabei als Auskopplung von Wärme aus den Turbinen. Eine anderweitige – auch externe – Heizunterstützung des Kessels ist nicht gegeben.
  • Die Methanolherstellung erfolgt heutzutage meist aus fossilen Brennstoffen und Gasen über die Produktion von Synthesegas.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde durch eine synergetische Kombination einer Kohlevergasung, eines Dampfkraftwerks und einem Wasserstoffmotor im Gesamtprozess einen höheren Wirkungsgrad als ein herkömmliches Kohlekraftwerk zu erzielen. Dabei wird der zu nutzende Kohlenstoff zwei mal oxidiert, zuerst in dem Vergasungsreaktor zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff, was den Kessel des Dampfkraftwerkteils erhitzt, danach über eine Wassergas-Shift-Reaktion aus Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und weiterem Wasserstoff. Letzterer wird in einem Wasserstoffmotor mittels Knallgasreaktion oxidiert und treibt zusätzlich einen weiteren Generator an. Das erhitzte Abgas des Wasserstoffmotors wiederum dient zum Vorheizen des Speisewassers des Dampfkraftwerks, was dessen Wirkungsgrad erhöht.
  • Optional kann der zu oxidierende Kohlenstoff auch mittels einer vorgelagerten hydrothermalen Karbonisierung von beliebiger Biomasse hergestellt werden, was den Gesamtprozess unabhängig von fossilen Energieträgern machen würde und kohlendioxidneutral wäre. Außerdem kann nach dem Verfahrensschritt der Wassergas-Shift-Reaktion das entstandene Synthesegas auch zu Erzeugung von Methanol genutzt werden.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren der eingangs genannten Art durch die im gekennzeichneten Teil der Patentansprüche 1 bis 5 angegebenen Merkmale gelöst. Das Erzeugnis gemäß der Erfindung hat den Vorteil, dass durch die synergetische Kombination der Merkmale einen besseren Gesamtwirkungsgrad zu erzielen als ein konventionelles Kohlekraftwerk. Zusätzlich ließe sich elektrische Energie und anteilig Methanol auch aus beliebiger Biomasse – auch Stroh und Holzabfällen – kohlendioxidneutral aus regenerativen Quellen erzeugen.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Allgemeine Beschreibung
  • Den Hauptbestandteil der Erfindung bilden ein Reaktor zu Kohlevergasung, ein Dampfkraftwerk mit einem Stromgenerator und ein Wasserstoffmotor gekoppelt an einen weiteren Stromgenerator.
  • Je nach Vergasungsreaktor muss die Kohle mit einer gewissen Körnigkeit in den Reaktor mit Wasser und (Luft-)sauerstoff eingebracht werden und wird idealtypisch zu hauptsächlich Kohlenmonoxid und Wasserstoff oxidiert. Die zu kühlenden Produkte dieses Prozesses erhitzen im Kessel des Dampfkraftwerks das Speisewasser, welches verdampft und ein oder mehrere Turbinen antreibt, welche wiederum einen Stromgenerator antreiben. Im Kondensator wird der entspannte Wasserdampf kondensiert.
  • Das abgekühlte Produktgas des Kohlevergasers wird nun mittels Wassergas-Shift-Reaktion auf die gewünschte Synthesegaszusammensetzung gebracht. Für eine Methanolherstellung wird Kohlendioxid und Wasserstoff benötigt, während für eine reine Stromproduktion möglichst viel Wasserstoff benötigt wird. Letzterer wird in dem Wasserstoffmotor oxidiert, welcher einen weiteren Stromgenerator antreibt. Das heiße Abgas des Wasserstoffmotors dient zur Speisewasservorwärmung im Dampfkraftwerksteils nach dem Kondensator und vor dem Heizkessel.
  • Optional kann das Kombinationskraftwerk auch mit beliebiger Biomasse betrieben werden, die vorher nicht feingemahlen oder getrocknet werden muss, da sie in einem vorgelagerten Produktionsschritt mittels hydrothermaler Karbonisierung zu einem Braunkohle-Wasser-Slurry umgewandelt wird, was nach anfänglichem Heizbedarf eine exotherme Reaktion ist. Die entstehende Wärme kann entweder zum Trocknen des Slurries dienen oder ebenfalls das Speisewasser des Dampfkraftwerksteil vorwärmen. Die entstehende Braunkohle ist feinkörnig und kann daher ohne weitere Zerkleinerung und – falls aufgrund des Reaktortyps nicht notwendig – ungetrocknet vergast werden.
  • Beispiel
  • 1 zeigt den schematischen Aufbau der Kombination eines Kohlevergasers, eines Dampfkraftwerks und eines Wasserstoffmotors samt weiterem Stromgenerator, mit optionaler Methanolproduktion und dem Betrieb mit beliebiger Biomasse.
  • Die Biomasse (1) wird dem Anlagenteil zur hydrothermalen Karbonisierung (2) zugeführt und nach anfänglichem Beheizen von ca. 180 Grad Celsius mittels exothermer Reaktion in einen Braunkohle-Wasser-Slurry umgewandelt. Die freiwerdende Wärme wird über eine Wärmekopplung (17) an die erste Stufe der Vorwärmung des Speisewassers (14) innerhalb des Dampfkraftwerksteils abgegeben. Darauf wird der Braunkohle-Wasser-Slurry im Kohlevergasungsreaktor (3) unter Energieabgabe zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff vergast. Die freiwerdende Wärmeenergie wird dem Heizkessel des Dampfkraftwerksteils (10) zugeleitet (4) und erhitzt/verdampft dort das Speisewasser. Die Erhitzung des Speisewassers mit den Vergasungsprodukten kühlt diese und diese werden einer Wassergas-Shift-Reaktion (5) unterzogen, um die benötigte Zusammensetzung des Synthesegases (6) zu beinflussen. Im vorliegenden Beispiel wird ein Teil Kohlenmonoxid zusätzlich zum mehrheitlich notwendigen Wasserstoff genutzt, um einen Teil Methanol zu erzeugen (7). Der übrige Wasserstoff wird im Wasserstoffmotor (8) oxidiert und treibt dadurch einen weiteren Stromgenerator (9) an. Das erhitzte Abgas des Wasserstoffmotors wird über eine thermische Kopplung (16) der zweiten Vorwärmstufe des Speisewassers (15) zugeführt und erhitzt das Speisewasser des Dampfkraftwerksteils. Der erhitze Wasserdampf aus dem Kessel (10) treibt einen oder mehrere Hochdruck/Niederdruckturbinen (11) an, welche wiederum einen Stromgenerator (12) antreiben. Der entspannte Wasserdampf wird im Kondensator (13) gekühlt und kondensiert, so dass das kondensierte Speisewasser über die zwei Vorwärmstufen (14, 15) wieder erhitzt wird, um im Heizkessel (10) wieder verdampft zu werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Biomassezufuhr
    2
    Anlage zur hydrothermalen Karbonisierung der Biomasse
    3
    Vergasungsreaktor für Kohle
    4
    Kühlung des Produktgases durch thermische Kopplung mit dem Kessel des Dampfkraftwerksteils
    5
    Anlagenteil zur Wassergas-Shift-Reaktion
    6
    Synthesegas mit optionalem Anteil zur Methanolherstellung
    7
    Anlage zur Methanolherstellung
    8
    Wasserstoffmotor
    9
    Stromgenerator I
    10
    Kessel des Dampfkraftwerksteils, Erzeugung des Wasserdampfes
    11
    Dampfturbine/n
    12
    Stromgenerator II
    13
    Kondensator des Dampfkraftwerksteils
    14
    Vorwärmung des Speisewassers I
    15
    Vorwärmung des Speisewassers II
    16
    Wärmetransport der Wasserstoffmotorabgase zur Vorwärmung des Speisewassers
    17
    Wärmetransport aus der exothermen Reaktion hydrothermale Karbonisierung zur Vorwärmung des Speisewassers
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 000002933402 A1 [0007]
    • DE 000003320227 A1 [0008]

Claims (5)

  1. Kombinationskaftwerk zur Energiegewinnung aus Kohle, bestehend aus 1.1 einem Kohlevergasungsreaktor, insbesondere eines Koppers-Totzek-Reaktors 1.2 eines Dampfkraftwerks mit angekoppeltem Stromgenerator 1.3 einer Anlage zur Wassergas-Shift-Reaktion 1.4 eines Wasserstoffmotor samt gekoppeltem Stromgenerator dadurch gekennzeichnet, dass 1.5 die energetisch zu nutzende Kohle im ersten Anlagenteil nach 1.1 mit Wasser und (Luft-)Sauerstoff vergast wird und die Reaktionswärme den Wasserkessel des Dampfkraftwerks nach 1.2 erhitzt und die entstehenden Reaktionsgase abkühlt 1.6 das durch die Vergasung neben Wasserstoff hauptsächlich entstehende Kohlenmonoxid mit Wasser einer Wassergas-Shift-Reaktion unterzogen wird, um möglichst viel weiteren Wasserstoff zu produzieren 1.7 der hergestellte Wasserstoff in einem Wasserstoffmotor nach 1.4 unter Energiefreisetzung oxidiert wird und mittels eines gekoppelten Generators elektrischen Strom produziert 1.8 die hierbei entstehende Abgaswärme zum Vorwärmen des Speisewassers des Dampfkraftwerks aus 1.2 verwendet wird 1.9 das Dampfkraftwerk durch Kopplung an einen weiteren Generator elektrischen Strom produziert
  2. Kombinationskaftwerk zur Energiegewinnung aus Kohle nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass 2.1 als Ausgangsmaterial beliebige Biomasse dient, welche einer kontinuierlichen oder diskontinuierlichen hydrothermalen Karbonisierung in einem vorgelagerten weiteren Anlagenteil unterworfen wird 2.2 der entstandene Braunkohle-Wasser-Slurry dem Vergasungsreaktor nach 1.1 zugeführt wird
  3. Kombinationskaftwerk zur Energiegewinnung aus Kohle nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, dass 3.1 der in 2.1 entstandene Braunkohle-Wasser-Slurry vor der Zuführung zum Vergasungsreaktor nach 1.1 mittels der freiwerdenden Wärme bei der hydrothermalen Karbonisierung getrocknet wird
  4. Kombinationskaftwerk zur Energiegewinnung aus Kohle nach Anspruch 2. oder 3. dadurch gekennzeichnet, dass 4.1 die freiwerdende Wärme bei der hydrothermalen Karbonisierung nach 2.1 zur Vorwärmung des Speisewassers des Dampfkraftwerks nach 1.2 genutzt wird
  5. Kombinationskaftwerk zur Energiegewinnung aus Kohle nach Anspruch 1. oder 2. oder 3. oder 4. dadurch gekennzeichnet, dass 5.1 die unter 1.5 und 1.6 entstehenden Produktgase zumindest teilweise zur Methanolherstellung genutzt werden
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