DE10300466A1

DE10300466A1 - Brennstoffzelle mit integrierter Vergasung

Info

Publication number: DE10300466A1
Application number: DE10300466A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Leithner
Original assignee: Leithner Reinhard Prof Drtechn
Current assignee: Leithner Reinhard Prof Drtechn
Priority date: 2003-01-07
Filing date: 2003-01-07
Publication date: 2004-07-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stromerzeugung mittels Brennstoffzellen aus festen und flüssigen Kohlenwasserstoffverbindungen wie z. B. Kohle, Biomasse oder Öle mit möglichst hohem Wirkungsgrad und gleichzeitiger Abtrennung des CO¶2¶. Erfindungsgemäß wird die Abwärme einer Solid Oxde Fuel Cell - SOFC dazu verwendet, um feste und flüssige Kohlenwasserstoffverbindungen vorwiegend mit Wasserdampf zu vergasen, überwiegend zu einem Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, wobei die Wärmeübertragungg von der SOFC zur Vergasung einerseits durch das Anodenabgas der SOFC, das zur Vergasung zurückgeführt wird, wobei es zumindest teilweise zuvor in einem Wärmetauscher abgekühlt und anschließend wieder aufgeheizt wird, um überschüssigen Wasserdampf durch Kondensation und auch CO¶2¶ etc. aus dem Kreislauf auszuschleusen, erfolgt, was gleichzeitig auch eine Rezirkulation des hauptsächlichen Vergasungsmittels Wasserdampf und nichtreagierter Vergasungsgase bewirkt, und andererseits durch ein Wärmeverschiebesystem, dessen Wärmeträger in der SOFC aufgeheizt wird, um diese Wärrme in der Vergasung abzugeben, ohne daß er mit den jeweiligen Medien in der SOFC bzw. Vergasung gemischt wird, d. h. die Wärmeübertragung erfolgt in der SOFC und in der Vergasung in Rekuperatoren. Durch die Nutzung zweier Möglichkeiten der Wärmeübertragung können die Stoffrückführung und der Wärmetransport unabhängig voneinander geregelt werden. Das von festen und flüssigen Stoffen gereinigte ...

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit möglichst hohem Wirkungsgrad Strom aus festen und flüssigen Kohlenwasserstoffverbindungen zu erzeugen und dabei als Abgase getrennt CO₂, das verwendet oder deponiert werden kann, und sauerstoffarme Luft, d.h. im wesentlichen Stickstoff und ferner Wasser und Asche zu produzieren.
Durch die deutsche Patentschrift Nr. 910918 „Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von Kohle in elektrische Energie" und durch die Veröffentlichungen: Lackner K.S. und Ziock N.-J.: The US Zero Emission Coal Alliance (ZECA) Technology, VGB-PowerTech 81 (2001), Nr. 12, S. 57-61 und Vik A. und Lygre A.: A Coal Fueled Solid Oxide Fuel Cell System. ASME 27^th Int. Technical Conference on Coal Utilization & Fuel System, Clearwater, Florida, USA 2002 sind Verfahren bekannt geworden, bei denen die Abwärme der Brennstoffzelle entweder direkt oder indirekt über die Kalzinierung und den CaO-CaCO₃-Kreislauf zur Vergasung von festen Kohlenwasserstoffen verwendet wird. Nachteilig ist bei dem Verfahren nach der deutschen Patentschrift Nr. 910918 unter anderem, daß Vergasung und Brennstoffzelle unmittelbar in einem Apparat kombiniert sind und Kathoden- und Anodenabgas der Brennstoffzelle gemischt werden. Außerdem ist keine Rückführung des Anodenabgases vorgesehen und somit ist auch kein direkter Wärmetransport und keine Rückführung des Vergasungsmittels und unreagierter Vergasungsgase möglich.
Bei dem ZECA-Prozeß wird eine Kalzinierung und ein CaO-CaCO₃-Feststoffkreislauf zwischen Brennstoffzelle und Vergasung geschaltet, was den Prozeß unnötig kompliziert macht und bei dem Prozeß nach Vik A. und Lygre A. wird die Boudouard-Reaktion verwendet, die sehr langsam abläuft, was ebenfalls unvorteilhaft ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Vergasungsgas einer im wesentlichen heterogenen Wassergasreaktion (1), das im wesentlichen aus CO und H_Z besteht, zu einer Abscheidung fester und flüssiger Stoffe (2) strömt und danach das gereinigte Vergasungsgas mittels eines Hochtemperaturgebläses (3) der Anodenseite einer SOFC (4) zugeführt wird. Eine mögliche Schaltungsvariante des Verfahrens zeigt 1. Nach der SOFC strömt das Anodenabgas zumindest teilweise zu einem Wärmetauscher (5), in dem es abgekühlt und nach der Abscheidung von CO₂ und von anderen Gasen, die sich ansonsten im Kreislauf aufkonzentrieren würden, z. B. durch Adsorption oder Absorption in einer Abscheidung (6) und Auskondensation des überschüssigen Teils des Wasserdampfs und anderer kondensierbarer Dämpfe in einem Teilstromkondensator (7), wieder aufgeheizt wird. Ein Teil der Abkühlungswärme kann auch zum Austreiben des CO₂ etc. aus den Adsorptionsmitteln oder Absorptionsmitteln benutzt werden (nicht dargestellt in 1). Ein sehr geringer Teil fester und flüssiger Stoffe wird auch noch in der Abscheidung gasförmiger Stoffe und Kondensation von Dämpfen ausgeschleust und auch noch in die Vergasung (1) zurückgelangen. Die Wärme aus der weiteren Abkühlung des CO₂ im Wärmetauscher (8) und die Kondensationswärme des Wassers etc. wird vorzugsweise im Kreislauf selbst, z. B. zum Vorwärmen des Brennstoffs durch ein Wärmeverschiebesystem (9) oder zum Vorwärmen der Luft oder für eine ORC-Anlage oder für Heizzwecke verwendet oder an die Umgebung abgegeben; die vier letzten Vorschläge sind in 1 nicht enthalten. Es entsteht dadurch ein geschlossener Stoffkreislauf zwischen Vergasung und Anodenseite der SOFC, in den Brennstoff über die Vergasung (1) zugeführt und feste und flüssige Stoffe und CO₂ und andere Gase und Dämpfe und überschüssiger Wasserdampf ausgeschleust werden. Ferner werden auch die in der SOFC (4) nicht umgesetzten Bestandteile des Vergasungsgases CO und H₂ zur Vergasung (1) zurückgeführt, um wieder verwendet zu werden. Zudem wird Abwärme von der SOFC (4) der Vergasung (1) über ein Wärmeverschiebesystem (12) zugeführt, dessen Wärmeträger in der SOFC (4) aufgeheizt wird, um diese Wärme in der Vergasung (1) abzugeben, ohne daß er mit den jeweiligen Medien in der SOFC (4) bzw. Vergasung (1) gemischt wird, d.h., die Wärmeübertragung erfolgt in der SOFC (4) und in der Vergasung (1) in Rekuperatoren. Durch die Nutzung zweier Möglichkeiten der Wärmeübertragung können die Stoffrückführung und der Wärmetransport unabhängig voneinander geregelt werden.
Wird das Verfahren unter Druck betrieben, wird das CO und andere Gase noch in einem Expander (nicht in 1 dargestellt) entspannt, der einen Generator zur Stromproduktion antreibt, genauso wie das Kathodenabgas (O₂-arme Luft) in diesem Fall auch in einem Expander (nicht in 1 dargestellt) entspannt wird, der ebenfalls einen Generator antreibt.
Das Kathodenabgas gibt seine Wärme im Wärmetauscher (10) an die durch das Gebläse (11) bzw. im Fall des Betriebes unter Druck durch den Kompressor (11) geförderte Luft ab. Der Brennstoff muß im Falle des Druckbetriebes über ein Schleusensystem oder eine Pumpe (in 1 nicht dargestellt) zugeführt werden.
Der Strom wird allein oder im Falle des Betriebes bei erhöhtem Druck überwiegend in der SOFC (3) produziert. Bei einem Betrieb bei erhöhtem Druck produzieren auch noch die von den Expandern des Kathodenabgases und des CO₂ angetriebenen Generatoren Strom.

Claims

Verfahren zur Stromerzeugung mittels einer Solid Oxide-Fuel Cell-SOFC aus festen und flüssigen Kohlenwasserstoffvberbindungen gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Die Abwärme der SOFC wird auf zweifache Weise auf die Vergasung, die als Vergasungsmittel im wesentlichen Wasserdampf benutzt, übertragen. Erstens mit Hilfe des Anodenabgases, das nach Abtrennung von CO₂ und von anderen Gasen und Dämpfen und überschüssigem Wasser zur Vergasung zurückgeführt wird, wodurch ein geschlossener Stoffkreislauf zwischen Vergasung und Anodenseite der SOFC entsteht. Zweitens mit Hilfe eines Wärmeträgermediums, das in Form eines Wärmeverschiebesystems durch die SOFC und die Vergasung strömt, ohne mit deren Gasen gemischt zu werden. Durch die Nutzung dieser beiden Möglichkeiten der Wärmeübertragung können die Stoffrückführung und der Wärmetransport unabhängig voneinander geregelt werden. b) Der geschlossene Stoffkreislauf zwischen Vergasung und Anodenseite der SOFC betrifft insbesondere das hauptsächliche Vergasungsmittel Wasserdampf, der bei der Vergasung in Wasserstoff und Sauerstoff, der sich mit dem Kohlenstoff zu CO verbindet, aufgespalten wird, und der aus dem Wasserstoff in der SOFC durch Aufnahme von Sauerstoff aus der SOFC-Membran wieder gebildet wird. c) Der Wasserdampfgehalt des geschlossenen Stoffkreislaufes zwischen Vergasung und Anodenseite der SOFC wird durch Kondensation von überschüssigem Wasserdampf geregelt. d) Andere mit dem Brennstoff in die Vergasung und damit in den geschlossenen Kreislauf eingetragene Stoffe als Wasser und Wasserstoff werden entweder in der Abscheidung nach der Vergasung, in der vor allem feste und flüssige, nicht vergaste Stoffe abgetrennt werden, aus dem Kreislauf entfernt oder in der Abscheidung gasförmiger Stoffe, z. B. durch Absorption oder Adsorption und in der Kondensation dampfförmiger Stoffe nach einem Wärmetauscher, der im Bypass geschaltet sein kann und in dem die nicht ausgeschleusten Gase und Dämpfe vor allem Wasserdampf, CO₂ und nicht reagiertes CO und H₂, im Gegenstrom zur Abkühlung des Rohgases wieder aufgeheizt werden. Ein Teil der Wärme des Rohgases kann auch zum Austreiben der adsorbierten oder absorbierten Gase verwendet werden. Ein sehr geringer Teil fester und flüssiger Stoffe wird auch noch in der Abscheidung gasförmiger Stoffe und Kondensation von Dämpfen ausgeschleust und auch noch in die Vergasung zurückgelangen e) Die Wärme der auszuschleusenden Stoffe CO₂, feste und flüssige Stoffe etc. und des Kathodenabgases der SOFC, das O₂-arme Luft ist, wird vorzugsweise im Prozeß selbst z.B. zur Aufheizung des Brennstoffes und der Luft oder zum Austreiben ad- oder absorbierter Gase verwendet. f) Die aus dem Anodenabgas abgetrennten Gase, werden nicht mit dem Kathodenabgas gemischt, sodaß im wesentlichen reines CO₂ anfällt, das verwendet oder deponiert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß sowohl die Vergasung als auch die SOFC unter gegenüber dem Atmosphärendruck erhöhtem Druck betrieben und deshalb der Brennstoff durch ein Schleusensystem und die Luft durch einen Kompressor der Vergasung bzw. der SOFC zugeführt werden und das CO₂ und das Kathodenabgas über getrennte Expander entspannt werden, die Generatoren antreiben, und feste und flüssige Stoffe über Schleusensysteme bzw. Ventile ausgeschleust werden
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, daß die CO₂-Abscheidung durch einen CaO-CaCO₃-Kreislauf bewerkstelligt wird, wobei das CO₂ bei Temperaturen unter ca. 700° C von CaO durch Reaktion zu CaCO₃ aufgenommen wird und aus dem abgetrennten CaCO₃ bei Temperaturen über 800°C wieder abgegeben wird, wodurch CaO entsteht, das rezirkuliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, daß für die Abscheidung gasförmiger Stoffe, insbesondere von CO₂ , Membrane verwendet werden.