DE112012001242T5

DE112012001242T5 - Komplexes System zum Verwenden von Kohle bei der Herstellung von Koks und Rohmaterialgas und der Erzeugung von elektrischer Energie

Info

Publication number: DE112012001242T5
Application number: DE112012001242.9T
Authority: DE
Inventors: Tatsuro Harada; Yohsuke Matsushita; Seiichiro Matsuda; Isao Mochida; Jun-ichiro Hayashi; Tsuyoshi Yamamoto; Toshiro Noguchi
Original assignee: Kyushu Electric Power Co Inc
Current assignee: Kyushu Electric Power Co Inc
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2032-03-16
Also published as: US9334458B2; WO2012124765A1; US20140030155A1; AU2012229849B2; DE112012001242B4; AU2012229849A1; JPWO2012124765A1; JP5857340B2

Abstract

Die meiste von der im Überfluss natürlich vorkommenden geringwertigen Kohle, welche einen hohen Feuchtigkeitsanteil und einen hohen Sauerstoffanteil hat wird transportiert mit geringer Effizienz; verwendet zum Heizen mit herabgesetzter thermischer Effizienz aufgrund des Verlustes von Hitze aufgrund von Eigenwärme (Englisch: sensible heat) zum Heizen von Feuchtigkeit und latenter Hitze zum Verdampfen von Feuchtigkeit; und verwendet in existierenden Kohleverbrennungseinrichtungen mit Schwierigkeit aufgrund eines hohen Anteils flüchtiger Komponenten. Ein komplexes System gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung von Kohle zur Herstellung von Koks (Englisch: char) und Rohmaterialgas und Erzeugung von elektrischer Energie ist eingerichtet zum Aufweisen: einer Trocknungseinheit zum Trocknen von geringwertiger Kohle von hohem Feuchtigkeitsanteil; einem Reformer zum Reformieren der geringwertigen Kohle, die getrocknet wurde in der Trocknungseinheit; einen Wirbelschichtbrenner (Englisch: fluidized bed combustor) zum Verwenden, als ein Kraftstoff, die reformierte Kohle erhalten in dem Reformer; eine Produktgaszuleitung für die Zuleitung eines Verbrennungsabgases von dem Wirbelschichtbrenner als ein pyrolytisches und vergasendes Mittel zu dem Reformer; und eine Katalysatorreformierungseinheit zum Reformieren der flüchtigen Komponente und dem Produktgas erhalten von der geringwertigen Kohle reformiert in dem Reformer.

Description

Technisches Feld
Die vorliegende Erfindung betrifft ein komplexes System, welches in der Lage ist die Erzeugung von elektrischer Energie und Kohlechemie zu vereinigen, um Kohle zu verwenden, wobei die Kohle in hohem Masse verwendet wird als Hitze, Elektrizität, und ein chemisches Rohmaterial zur Herstellung von Koks (Englisch: char) und Rohmaterialgas und der Erzeugung von elektrischer Energie. Dies wird erreicht durch die Reformierung von getrockneter geringwertiger Kohle, während des Bewegtwerdens in einem Wanderbettreformer und die Pyrolisierung und Vergasung der resultierenden getrockneten geringwertigen Kohle durch die Verbrennungshitze und Abgas von einem Wirbelschichtbrenner (Englisch: fluidized bed combustor; FBC), um Kohlenwasserstoffgas und Koks zu erhalten. Gleichzeitig wird elektrische Energie erzeugt durch Recyceln von Hitze mit Dampf von dem Wirbelschichtbrenner, wo sich der Koks und die getrocknete geringwertige Kohle befinden. Weiterhin kann der reformierte Koks als Kraftstoff für Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden und als Hitzequelle zur Stahlherstellung. Auf der anderen Seite wird das Kohlenwasserstoffgas als chemisches Rohmaterial verwendet.
Stand der Technik
Die geringwertige Kohle, wie zum Beispiel subbituminöse Kohle oder Braunkohle, welche einen Feuchtigkeitsgehalt hat, der höher als ungefähr 20 Massenprozent ist, ist beschränkt zur Verwendung in einem Kohleproduktionsbereich. Das ist darauf zurückzuführen, dass die geringwertige Kohle beispielsweise eine geringe Kalorie aufgrund ihres hohen Feuchtigkeitsanteils hat, und bei Verbrennung eine kleine Menge von Hitze erzeugt. Auf der anderen Seite, wenn getrocknet, wird die geringwertige Kohle eher selbstentzündlich und eher hygroskopisch, was in relativ teuren Transportkosten resultiert, etc..
Allerdings hat die geringwertige Kohle Vorteile, die nicht gefunden werden, z. B. in der bituminösen Kohle, welche als hochwertige Kohle angesehen wird. Beispielsweise ist Braunkohle, die in Australien und Indonesien gefunden wird, gering an Schwefelgehalt und produziert weniger Asche. Deshalb würde es die Verwendung von der Braunkohle als Kraftstoff ermöglichen, Luftverschmutzung aufgrund von Schwefeldioxidgas, etc., zu verhindern, genauso wie gefährliche Ascheabfälle zu reduzieren.
In diesem Zusammenhang wurden solche Techniken vorgeschlagen, welche eingerichtet sind geringwertige Kohle durch Dehydrierungsreformierung (Englisch: dehydration reform) oder thermische Reformierung zu karbonisieren, um dadurch die Nachteile davon zu kompensieren. Beispielsweise wird in Patentliteratur 1 und Patentliteratur 2 eine Technik offenbart, bei welcher Öl und geringwertige Kohle in einem Rohmaterialschlamm (Englisch: Rohmaterialslurry) gemischt werden; der resultierende Schlamm wird erhitzt und dehydriert in dem Öl und dann weiter erhitzt zum Zersetzen oder Absondern des Carboxylradikals oder des Hydroxylradikals, etc., in der Rohmaterialkohle durch eine Dekarboxylationsreaktion oder eine Dehydrationsreaktion, wobei dabei die Rohmaterialkohle reformiert wird. Ebenfalls wird eine Technik offenbart, bei welcher schweres Öl, etc., in Poren von der geringwertigen Kohle eingedrungen wird, um Selbstentzündung zu verhindern.
Auf der andere Seite wird in Patentliteratur 3 eine komplexe Kohlevergasungs-Energieerzeugungs-Einrichtung offenbart, welche das Folgende beinhaltet: eine Vergasungseinheit zum Vergasen von geringwertiger Kohle, die einen relativ hohen Feuchtigkeitsgehalt hat; eine Gasenergieerzeugungseinheit zum Erzeugen von elektrischer Energie unter Verwendung von Gas zugeführt von der Vergasungseinheit; eine Dampfenergieerzeugungseinheit zur Erzeugung von elektrischer Energie durch die Hitze von einem Abgas ausgegeben von der Gasenergieerzeugungseinheit; und eine Kohletrocknungseinheit zum Trocknen von Kohle durch die Abgashitze ausgegeben von der Dampfenergieerzeugungseinheit und Zuführen der getrockneten Kohle zu der Vergasungseinheit. In Patentliteratur 4 ist ein Verfahren offenbart, zum Herstellen reformierter Kohle und Kohlenwasserstofföl durch Pyrolisierung von Braunkohle in reformierte Kohle und Teer in einer inerten Gasatmosphäre oder Dampfatmosphäre und katalytisches Cracken des Teers in einer Dampfatmosphäre und in Anwesenheit von einem eisenbasierten Katalysator, um Kohlenwasserstofföl zu erhalten.
Liste der Zitierungen
Patentliteratur

PTL 1: japanische veröffentlichte ungeprüfte Patentanmeldung Nr. H07-233384
PTL 2: japanisches Patent Nr. 2776278
PTL 3: japanische veröffentlichte ungeprüfte Patentanmeldung Nr. 2009-133268
PTL 4: japanische veröffentlichte ungeprüfte Patentanmeldung Nr. 2010-144094

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Allerdings hatten die oben genannten konventionellen Techniken die folgenden Probleme:

(1) Für Patentliteraturen 1 und 2 erfordert die Verwendung von Öl verschiedene Arten von Einrichtungen zum Separieren von Öl und Kohle in demselben Container, was eine Steigerung in der Größe des Systems verursacht und Energiespareffizienz beeinträchtigt;
(2) Das Öl oder ein indirektes Material ist erforderlich für die Reformierung von der Kohle, dabei eine signifikante Steigerung der Kosten verursachend und eine hohe Umweltbelastung verursachend;
(3) Das Verfahren, welches das Öl verwendet verursacht einen Hitzeaustauschverlust von der Energie bereitgestellt für die Braunkohle, somit zu einem signifikanten Energieverlust führend;
(4) Weiterhin wird das Öl, was als indirektes Material verwendet wird, in die getrocknete Kohle gemischt, somit verursachend einen hohen Verlust von Öl und Ressourceneinspareffizienz beeinträchtigend;
(5) Bezüglich Patentliteratur 3 ist es möglich, eine hohe Kalorie zu erhalten, da die geringwertige Kohle getrocknet wird und dann in einem Vergasungsofen vergast wird, um als Hitzequelle in einem Erhitzer verbrannt zu werden, aber es würde keine effiziente Verwendung von einem nützlichen chemischen Rohmaterial beinhaltet in der geringwertigen Kohle gemacht, somit verschlechternd die Ressourceneinspareffizienz;
(6) Patentliteratur 3 basiert auf der Hochtemperaturvergasung von Kohle, so dass die Gaskomponente nach der Vergasung überwiegend aus niedermolekularen Komponenten besteht und somit nachteilig für nachfolgende chemische Produktsynthese;
(7) Patentliteratur 3 hat eine signifikante Beschränkung auf die Materialien, welche die Einrichtung bilden, da die Gase bei hohen Temperaturen erzeugt werden;
(8) Für Patentliteratur 4 wird die Braunkohle pyrolisiert bei 500°C bis 800°C um die reformierte Kohle und den Teer zu erhalten und der Teer wird dann katalytisch gecrackt bei 400°C bis 600°C, um dadurch die reformierte Kohle und eine Komponente zu erhalten. Allerdings nehmen im Allgemeinen, wenn die geringwertige Kohle über 500°C erhitzt wird, Risse zu, und feines Pulver wird erzeugt, was eine Zunahme von unverbrannter Kohle verursacht. Weiterhin, da das pyrolisierte Gas eine Gefahr des einfachen Entzündens von brennbaren Komponenten oder der Explosion der staubförmigen Kohle in einer hohen Sauerstoffkonzentration verursachen kann, gibt es dabei einen Mangel an Sicherheit und Betriebsfähigkeit, da es schwierig ist, die Abläufe des Systems zu kontrollieren, wie zum Beispiel Kontrolle der Sauerstoffkonzentration oder die Zugabe von Gas; und
(9) Für Patentliteratur 4 ist die Energieeinspareffizienz verschlechtert, da Kühlung erforderlich ist, wenn die Braunkohle als die reformierte Kohle verwendet wird oder wenn die staubförmige Kohle in einer nachgelagerten Stufe verbrannt wird.

Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt um die oben genannten konventionellen Probleme zu überwinden. Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein komplexes System bereitzustellen zur Verwendung von Kohle zur Herstellung von Koks und Rohmaterialgas und Erzeugung von elektrischer Energie, wobei das komplexe System wie folgt eingerichtet ist:

(1) zum Verwenden von Verbrennungshitze von gebundenem Kohlenstoff von Kohle, um den Dampf zur Erzeugung von elektrischer Energie zu erhitzen und um auch die geringwertige Kohle zu pyrolisieren und zu vergasen und Koks (Englisch: char) zu erzeugen;
(2) um in der Lage zu sein, den Erhitzer kompakter zu machen durch Verwenden von Sauerstoff-Wirbelschichtverbrennung (Englisch: oxygen fluidized bed combustion);
(3) um in der Lage zu sein, die Separationsenergie von Kohlenstoffdioxidgas zu reduzieren, wenn das Kohlenstoffdioxidgas separiert und recycelt wird, durch Verwenden von Sauerstoffverbrennung, da Stickstoffgas deutlich reduziert ist und somit Kohlenstoffdioxidgas hoch in Konzentration ist;
(4) um in der Lage zu sein, einen chemischen Komplex zu konstruieren, welcher effiziente Verwendung macht von der Abgashitze von dem Erhitzer, um ein pyrolisiertes Gas und ein vergastes Gas (flüchtige Komponente) als ein chemisches Rohmaterial zu verwenden;
(5) zum Verwenden eines Wanderbettreaktors (Englisch: moving bed reactor) als der Reformer, wobei die Temperatur von dem Produktgas reduziert gehalten werden kann und somit weniger Einschränkungen auf den Materialien bestehen wie diese für Gasleitungen, dabei eine außerordentliche Instandhaltbarkeit bereitstellend;
(6) um in der Lage zu sein die Temperatur von Produktgas zu reduzieren, da eine lange Zeit für Pyrolysereaktionen verfügbar ist, so dass Schwierigkeiten aufgrund einer Teerkomponente (wie Adhäsion oder Abdichtung) behoben werden können und eine große Menge von relativ langkettigen Kohlenwasserstoffkomponenten erhalten werden kann, produzierend ein Gas, das vorteilhaft ist für Verbrennung und chemische Synthese;
(7) um den gebundenen Kohlenstoff mit der entfernten flüchtigen Komponente in einen Sauerstoff-Wirbelschichtbrenner zu laden ohne den gebundenen Kohlenstoff zu kühlen, somit eine hohe Entzündungsqualität erreichend und eine außerordentliche Energieeinspareffizienz; und
(8) um in der Lage zu sein Sauerstoff zu verbrennen, da hochtemperatur-gebundener Kohlenstoff (Koks; Englisch: char) mit entfernten flüchtigen Komponenten in den Sauerstoff-Wirbelschichtbrenner geladen werden kann von einem Bereich niedriger Sauerstoffkonzentration in einem Gegenfluss relativ zu dem Verbrennungsabgas, wobei abnormale Verbrennung oder plötzliche Verbrennung direkt nach dem Laden unterdrückt werden kann sogar in dem Verbrenner von einer hohen Sauerstoffkonzentration.

Lösung des Problems
Um die oben genannten konventionellen Probleme zu lösen, ist ein komplexes System gemäß der vorliegenden Erfindung zum Verwenden von Kohle zur Herstellung von Koks (Englisch: char) und Rohmaterialgas und Erzeugung von elektrischer Energie wie folgt eingerichtet.
Ein komplexes System gemäß einem ersten Aspekt von der vorliegenden Erfindung zum Verwenden von Kohle zur Herstellung von Koks und Rohmaterialgas und Erzeugung von elektrischer Energie weist das Folgende auf: eine Trocknungseinheit zum Trocknen von geringwertiger Kohle von hohem Feuchtigkeitsanteil; einen Reformer zur Reformierung der geringwertigen Kohle, die getrocknet worden ist in der Trocknungseinheit; einen Wirbelschichtbrenner (Englisch: fluidized bed combustor) zum Verwenden, als ein Kraftstoff, der reformierten Kohle erhalten in dem Reformer; eine Produktgaszuleitung (Englisch: producer gas supply pipe) zum Zuleiten eines Verbrennungsabgases von dem Wirbelschichtbrenner als ein pyrolytisches und vergasendes Mittel zu dem Reformer; und eine Katalysatorreformierungseinheit zum Reformieren einer flüchtigen Komponente und des Verbrennungsabgases erhalten von der geringwertigen Kohle reformiert in dem Reformer.
Diese Anordnung kann die folgenden Abläufe bereitstellen;

(1) Da die geringwertige Kohle in der Trocknungseinheit getrocknet wird, bevor sie dem Reformer zugeführt wird, kann sogar die Verwendung der geringwertigen Kohle als ein Kraftstoff für den Wirbelschichtbrenner das Verhindern eines Verlustes von Hitzeenergie erlauben, welcher verursacht werden kann durch Verdampfen von der beinhalteten Feuchtigkeit oder die Abfuhr von Hitze aufgrund eines Leckens von dem Dampf, etc.;
(2) Hitzeenergie kann verwendet werden mit verbesserter Effizienz, da das Abgas ausgegeben von dem Wirbelschichtbrenner verwendet wird zum Trocknen der geringwertigen Kohlen. Auf der anderen Seite im Vergleich mit dem Fall, wo eine zusätzliche Hitzeerzeugungseinheit zum Erzeugen von Hitze bereitgestellt wird zum Trocknen der geringwertigen Kohle, gibt es keinen Bedarf einen zusätzlichen Kraftstoff oder zusätzliche Energie zuzuführen, somit eine außergewöhnliche Energieeinspareffizienz erreichend;
(3) Da der Reformer mit einem Abgas erhitzt wird in dem Wirbelschichtbrenner und die geringwertige Kohle reformiert, wird eine außergewöhnliche Energieeinspareffizienz erreicht;
(4) Die geringwertige Kohle hat einen hohen Anteil an flüchtiger Komponente; allerdings wird die flüchtige Komponente durch den Reformer emittiert und in die Lage versetzt mit CO, CO₂, oder H₂O von dem Verbrennungsgas in der Gasreformereinheit zu reagieren in Verbindung mit einem partiell vergasten Gas, es dabei ermöglichend die geringwertige Kohle als nützliches chemisches Rohmaterial zu verwenden;
(5) Der Koks, der in einem Hochtemperaturbereich (Einlassbereich) in der Reformereinheit produziert wird, kann verwendet werden als Rohmaterialkohle für die Stahlherstellung und als ein Festkraftstoff, der nach Übersee transportiert werden kann, und als ein Wirbelschichtbrennerkraftstoff;
(6) Da die Temperatur von dem Produktgas (Verbrennungsabgas) von dem Wirbelschichtbrenner verwendet wird für Gasreformierung, wird eine außergewöhnliche thermische Effizienz und eine außergewöhnliche Energieeinspareffizienz erreicht;
(7) Verwenden des Wanderbettreaktors (Englisch: moving bed reactor) als Reformer erreicht eine Produktgastemperatur von so niedrig wie 150°C oder weniger und verhindert die Kondensation von dem Teer. Weiterhin werden die niedrigen Temperaturen einschränkende Bedingungen reduzieren, bezüglich des Materials wie für Gasleitungen, und es somit möglich machen die Kosten für Systemkonstruktion und Instandhaltung zu reduzieren. Weiterhin kann Niedriggeschwindigkeitserhitzung es verhindern, dass Rohmaterialkohle pulverisiert wird;
(8) Da die Verwendung des Wanderbettreaktors als Reformer eine niedrige Produktgastemperatur ermöglicht und eine verlängerte Reaktionszeit der Pyrolyse, Schwierigkeiten, die aus dem Auftreten von Teerkomponenten aufgrund von Adhäsion oder Abdichten, etc., resultieren, verursacht durch die Teerkomponenten werden nicht auftreten und eine große Menge von relativ langkettigen Kohlenwasserstoffkomponenten kann erreicht werden. Es ist somit möglich Gase zu produzieren, die vorteilhaft für chemische Rohmaterialien sind;
(9) Da der gebundene Kohlenstoff mit der entfernten flüchtigen Komponente in dem Reformer in den Sauerstoff-Wirbelschichtbrenner ohne Kühlung geladen wird, wird eine hohe Entzündungsqualität erreicht und es resultiert kein Energieverlust;
(10) In dem Wirbelschichtbrenner kann Hitze ausgetauscht werden mit Effizienz zwischen dem Abgas von dem Wirbelschichtbrenner, das sich vorbeibewegt gegen die Körperkraft von dem Partikelbett und den Partikeln;
(11) Da der Hochtemperatur-gebundene Kohlenstoff (Koks, Englisch: char) mit der entfernten flüchtigen Komponente geladen wird in den Wirbelschichtbrenner von einem Bereich von niedriger Sauerstoffkonzentration, kann anormale Verbrennung oder plötzliche Verbrennung direkt nach dem Laden unterdrückt werden, somit Sauerstoffverbrennung erlaubend; und
(12) Da das Abgas eine niedrigere Sauerstoffkonzentration hat als Luft, kann die geringwertige Kohle, die spontan oxidiert werden kann und leicht Feuer fangen kann, bei höheren Temperaturen reformiert werden.

Hier, (a) die geringwertige Kohle soll nicht eingeschränkt werden auf eine mit spezifischem Namen wie z. B. subbituminöse Kohle, Lignit, oder Braunkohle, solange der Feuchtigkeitsanteil über ungefähr 20 Massenprozent ist. Weiterhin braucht nicht alle Kohle, die als Kraftstoff verwendet wird geringwertige Kohle sein, sondern etwas hochwertige Kohle von einem Feuchtigkeitsanteil von weniger als ungefähr 20 Massenprozent kann ebenfalls zugefügt werden.

(b) Die Trocknungseinheit wird in einer Atmosphäre von einem inerten Gas wie zum Beispiel Stickstoffgas bei einer niedrigen Temperatur (60°C bis 90°C) und einer niedrigen Feuchtigkeit (RH 70% bis 0%) getrocknet. Das Innere von der Trocknungseinheit ist hergestellt aus einer Heißwasser-(ungefähr 60°C bis 90°C)-Röhre zum Erwärmen der Kohle und einer Gasröhre zum Injizieren eines trocknenden inerten Gases. Weiterhin, der Zielfeuchtigkeitsanteil von der geringwertigen Kohle kann auf 20 Massenprozent oder weniger gesetzt werden. In den Experimenten wurde der Feuchtigkeitsanteil reduziert auf 16 Massenprozent. Dies machte den Feuchtigkeitsanteil von der geringwertigen Kohle ein Drittel oder weniger, dabei die Transporteffizienz deutlich verbessernd. Weiterhin kann die Verwendung von Koks Selbstentzündung verhindern, somit eine verbesserte Sicherheit erreichend.

Das verwendete Stickstoffgas ist das, welches in einem Enzymseparator separiert wird. Das Stickstoffgas kann in einem Luftvorerhitzer erhitzt werden, welcher geheizt wird mit sehr heißem Wasser von dem Kondensator. In diesem Fall, da die Sauerstoffkonzentration niedrig ist, ist es möglich es zu verhindern, dass die geringwertige Kohle Feuer fängt, welche spontan oxidiert wird und leicht ihre Temperatur erhöht und leicht Feuer fängt, und die Kohle bei höheren Temperaturen zu trocknen. Weiterhin, da das Stickstoffgas, das in dem Sauerstoffseparator separiert wird eine niedrige relative Feuchtigkeit hat kann die Kohle getrocknet werden mit erhöhter Effizient. Weiterhin, da Abfallhitze verwendet wird ohne zusätzliche Hitzeenergie zu benötigen, kann das System umweltfreundlich und außergewöhnlich in Energieeinspareffizienz gemacht werden.

(c) Es ist möglich sauberes Wasser von dem Hochfeuchtigkeitsabgas zu recyceln, das entladen wird von der Trocknungseinheit, somit effiziente Verwendung von Wasser machend.
(d) Die geringwertige Kohle wird grob zerkleinert als Vorbehandlung vor dem Getrocknetwerden, in kontrollierte Korngröße von 0,1 μm bis 5 mm. Zerkleinern in eine Korngröße von 0,1 μm bis 5 mm kann den Trocknungsschritt vereinfachen, um die Zeit für das Trocknen zu verkürzen. Die geringwertige Kohle wird erhitzt durch Heizen der Trocknungskammer von der Trocknungseinheit unter Verwendung einer kühlenden Ablaufwasser-(ungefähr 60°C bis 90°C)-Röhre von dem Dampfkondensator von der Dampfturbine, welche elektrische Energie mit dem Dampf erzeugt, der in dem Wirbelschichtbrenner überhitzt wird. Weiterhin als ein Hitzetransfermedium, Luft von niedrigem Sauerstoffinhalt, CO₂, oder N₂-Glas tauscht Hitze mit dem erhitzten kühlenden Ablaufwasser (Englisch: drain water) aus und wird erhitzt (auf eine Temperatur von 60°C bis 80°C mit RH 0% bis 70%) und wird dann in die Trocknungseinheit geleitet, um entgegen dem Fluss von der geringwertigen Kohle zu fließen, um die Kohle zu trocknen.
(e) Als der Reformer kann ein Bevorzugter das Wanderbettmodell verwenden, durch welches die geringwertige Kohle pyrolisiert und vergast wird während die geringwertige Kohle abwärts fließt und das Hochtemperaturabgas von dem Wirbelschichtbrenner aufwärts fließt. Das Wanderbettmodell erlaubt dem Wanderbett eine verlängerte Reaktionszeit bei dem Wanderbett zu haben. Weiterhin erlaubt der Gegenfluss das Gas zu kühlen, das reformiert wurde während hitzeausgetauscht zu werden mit der geringwertigen Kohle. Das ermöglicht es ein chemisches Rohmaterial zu erhalten, das aus einem pyrolisierten Gas und einem Vergasungsgas besteht wie auch Hochkalorie-reformierte Kohle (Koks + Asche) zu erhalten.
(f) In dem Wirbelschichtbrenner, wird als Wirbelschichtmaterial Kalkstein (Englisch: lime stone) oder Dolomit, etc. angewandt. Als ein Kraftstoffadditiv wird bevorzugt eine Gasmischung aus Sauerstoff und Kohlenstoffdioxidgas zum Einstellen (Verdünnen) der Konzentration von Sauerstoff verwendet. Der verwendete Kraftstoff ist getrocknete Kohle von der geringwertigen Kohle, welche in der Trocknungseinheit getrocknet wurde oder reformierte Kohle von der geringwertigen Kohle, welche reformiert wurde in dem Reformer oder Koks.
(g) Die Verbrennungstemperatur von dem Wirbelschichtbrenner wird kontrolliert bei 800°C bis 900°C. Dieses erlaubt zum Reduzieren die Verwendung von speziellen Materialien, welche hohe Temperaturen aushalten als Offenmaterial und zum Verhindern von Schwierigkeiten wie zum Beispiel Schmelzen von Asche in dem Wirbelbett.
(h) Die Katalysatorreformierungseinheit führt das Reformieren durch, durch es ermöglichen, dass die flüchtige Komponente erhalten von der geringwertigen Kohle oder ein Produktgas (Verbrennungsabgas) wie zum Beispiel CO₂, CO, und H₂O mit dem Katalysator in Kontakt gebracht wird, dabei erhaltend, so wie, ein FT-Synthesegas (Englisch: FT synthesis gas), Methanolsynthesegas, Ammoniumsynthesegas, Wasserstoffgas oder natürliches Synthesegas.

Weiterhin kann eine produzierte Teerkomponente reformiert werden um kontinuierlich Kohlenwasserstoff von niedrigem Molekulargewicht, Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu erhalten.
Das komplexe System gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung zum Verwenden von Kohle zur Herstellung von Koks (Englisch: char) und Rohmaterialgas und Erzeugung von elektrischer Energie ist aufgebaut wie folgt in dem ersten Aspekt von der Erfindung: eine Pyrolyseeinheit zum Ermöglichen eines aufsteigenden Flusses von einen Verbrennungsabgas von dem Wirbelschichtbrenner zum Zersetzen der geringwertigen Kohle zugeleitet von der Trocknungseinheit bei einer Pyrolysetemperatur von 300°C bis 600°C während der Reformer die geringwertige Kohle bewegt; und eine Vergasungseinheit zum teilweisen Zersetzen der Geringwert-Kohle-Koks produziert in der Pyrolyseeinheit von gebundenem Kohlenstoff in CO und H₂ bei 600°C bis 800°C.
Zusätzlich zu dem ersten Aspekt stellt diese Anordnung die folgenden Vorgänge bereit:

(1) Die getrocknete Braunkohle kann pyrolisiert werden in die flüchtige Komponente + Koks mit dem Abgas zugeführt von dem Wirbelschichtbrenner und der Koks kann weiter vergast werden;
(2) Unkonvertierter Koks und Asche werden dem Wirbelschichtbrenner zugeführt, um den Koks zu verbrennen, wobei eine hohe Kalorie erreicht werden kann, somit bereitstellend eine außergewöhnliche thermische Effizienz;
(3) Da der Koks keine Feuchtigkeit beinhaltet ist es möglich eine hohe Verbrennungseffizienz zu erreichen und Hitzeverluste beträchtlich zu reduzieren;
(4) Typischerweise ist Koks nur schwer selbstentzündlich. Allerdings ist der Koks mit der getrockneten Braunkohle vermischt, um eine flüchtige Entzündungskomponente zu produzieren oder vorgeheizt auf ungefähr 800°C, um in einer hohen Sauerstoffkonzentration verbrannt zu werden dabei eine gleichmäßige Entzündung und Verbrennung erreichend;
(5) Die Zersetzung in den zwei Stufen der Pyrolyseeinheit und der Vergasungseinheit ermöglich Koks für die Stahlherstellung, Koks als transportierbarer Kraftstoff und Kohlenwasserstoffgas als chemisches Rohmaterial separiert zu werden und mit hoher Genauigkeit recycelt zu werden;
(6) Die Verwendung des Wanderbettmodells erlaubt es die Reaktionszeit zu verlängern dabei Schwierigkeiten verringernd, wie Adhäsion aufgrund von Teer;
(7) Es ist möglich die Komponente von einem Gas zum Extrahieren auszuwählen durch Erzeugung einer Temperaturverteilung in dem Reformer oder durch Auswählen eines Punktes, bei welchem das Gas extrahiert wird;
(8) Das Wanderbettmodell ermöglicht es, die Temperatur von dem Produktgas zu verringern, so dass die nachgelagerte Einrichtung zum Kühlen von Kohlegasen, etc., beseitigt oder vereinfacht werden kann, dabei die Einrichtung kompakt machend;
(9) Die Vergasung in der Kohlenstoffdioxidgasatmosphäre stellt hohe Sicherheit sicher;
(10) Da kein Stickstoffgas in dem produzierten Gas beinhaltet ist, kann das Kohlegas einfach separiert werden;
(11) Nicht wie die Wirbelschicht (Englisch: fluidized bed), bei welcher die Temperatur in der Schicht (Englisch: bed) einheitlich gemacht wird, so dass die Vergasungstemperatur und die Temperatur des Pyrolysegases gleich sein müssen mit der Temperatur in der Schicht, ermöglicht es das Wanderbett das Verbrennungsabas bei ungefähr 800°C in Kontakt mit Koks zu bringen bei dem Anfangsteil von dem Wanderbett, um so die Vergasung zu fördern. Zusätzlich erlauben Hitzeabsorption und ein Abfallen der Gastemperatur Pyrolyse bei 300°C bis 600°C in dem mittleren Teil von dem Wanderbett und gleichzeitig Überhitzung zu verhindern; und
(12) Das Wanderbett kann auf Temperaturen von 100°C bis 300°C reguliert werden bei dem obersten Abschnitt abhängig von der Partikelbetthöhe. Verringern der Temperatur von dem obersten Abschnitt erlaubt es dem schweren Öl einen relativ hohen Siedepunkt zu haben, um bei dem oberen Abschnitt von dem Teilchenbett kondensiert zu werden und vom Destilliertwerden abgehalten zu werden. Zusätzlich kann das schwere Öl wieder pyrolisiert werden und verwandelt werden in Gas, leichtes Öl und Koks. Um das schwere Öl zu erhalten, muss die Temperatur von dem obersten Abschnitt erhöht werden, um das Kondensieren von dem schweren Öl zu unterdrücken.

Hierbei kann die Wandergeschwindigkeit von dem Wanderbett eingestellt werden gemäß einer Zufuhrrate von dem Koks zu dem Wirbelschichtbrenner. Nicht wie im Fall von der Wirbelschicht wobei Partikel vollständig vermischt sind was dazu führt, dass die Größe der Kokspartikel eine signifikante Verteilung haben, hat der Koks entladen von dem Wanderbett eine gleichförmige Größe und somit kann die Wirbelschichtverbrennung einfach stabilisiert werden. Der Reformer hat eine zweistufige oder integrierte Struktur, bei welcher das Verbrennungsabgas von dem Wirbelschichtbrenner bei 500°C bis 800°C von dem unteren Abschnitt geliefert wird.
Das Komplexe System gemäß einem dritten Aspekt von der vorliegenden Erfindung zur Verwendung von Kohle zur Herstellung von Koks (Englisch: char) und Rohmaterialgas und Erzeugung von elektrischer Energie ist eingegliedert in den ersten oder zweiten Aspekt von der Erfindung, so dass Kohlenstoffgas zugeleitet als ein Diluent für Kraftstoffzusatzsauerstoff zu dem Wirbelschichtbrenner ein Kohlenstoffgas ist, entladen und separiert von der Katalysatorreformierungseinheit.
Dieses stellt den folgenden Ablauf zusätzlich zu denen von dem ersten und zweiten Aspekt bereit:

(1) Das Kohlendioxidgas entladen von dem Wirbelschichtbrenner und dem Reformer wird recycelt, somit bereitstellend einen verbesserten Effekt des Reduzierens von Umweltbelastungen.

Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Wie oben beschrieben, stellt das komplexe System von der vorliegenden Erfindung zur Verwendung von Kohle zur Herstellung von Koks und Rohmaterialgas und Erzeugung von elektrischer Energie die folgenden vorteilhaften Effekte bereit.
Der erste Aspekt von der Erfindung stellt die folgenden vorteilhaften Effekte bereit:

(1) Da die geringwertige Kohle in der Trocknungseinheit getrocknet wird bevor sie dem Reformer zugeleitet wird, ist es möglich die Vergasung von der Feuchtigkeit beinhaltet in der geringwertigen Kohle von einem hohen Feuchtigkeitsanteil zu unterdrücken und den Verlust von Hitzeenergie aufgrund von Entfernung von Hitze durch Lecken von Dampf, etc.;
(2) Da die geringwertige Kohle getrocknet wird unter Verwendung der Abgashitze emittiert von dem Wirbelschichtbrenner oder der Abfallhitze produziert in dem Energieerzeugungszyklus, ist es möglich die Hitzeenergie mit verbesserter Effizienz zu verwenden. Auf der anderen Seite im Vergleich mit dem Fall, wo eine zusätzliche Hitzeerzeugungseinheit bereitgestellt ist zum Erzeugen von Hitze, um die geringwertige Kohle zu trocknen, braucht kein zusätzlicher Kraftstoff oder Energie geladen zu werden und somit wird eine außergewöhnliche Energieeinspareffizienz erreicht;
(3) Der Reformer wird geheizt durch das Abgas von dem Wirbelschichtbrenner zum Reformieren und Vergasen, somit erreichend eine außergewöhnliche thermische Effizienz;
(4) Die geringwertige Kohle hat einen hohen Anteil an flüchtiger Komponente; allerdings, reagiert die flüchtige Komponente und das vergaste Gas mit CO, CO₂ oder H₂O von dem Verbrennungsgas in der Gasreformierungseinheit, es dabei erlaubend die Kohle als nützliches chemisches Rohmaterial zu konvertieren und zu verwenden;
(5) Da die Temperatur von dem Abgas von dem Wirbelschichtbrenner für Gasreformierung verwendet wird, werden eine außergewöhnliche thermische Effizienz und eine außergewöhnliche Energieeinspareffizienz erreicht;
(6) Die Temperatur von dem Produktgas, das roduziert werden soll, wird verringert durch Verwendung des Wanderbettreaktors als eine Pyrolyse- und Vergasungseinheit, dabei reduzierend einschränkende Bedingungen auf die Materialien wie für Gasleitungen;
(7) Gleichzeitig kann die Pyrolysereaktionszeit verlängert werden durch Verwendung des Wanderbetts. Somit verhindert dies Schwierigkeiten aufgrund von Teerkomponenten (wie zum Beispiel Adhäsion oder Abdichtung) und ermöglicht es, eine große Menge von relativ langkettigen Kohlenwasserstoffkomponenten zu erhalten, es erlaubend ein Gas zu produzieren, das vorteilhaft für chemische Produktsynthese ist;
(8) Da der gebundene Kohlenstoff mit der entfernten flüchtigen Komponente in den Sauerstoff-Wirbelschichtbrenner ohne Kühlung geladen wird, wird eine hohe Entzündungsqualität erreicht und es resultiert kein Energieverlust; und
(9) Da der hochtemperaturgebundene Kohlenstoff (Koks) mit der entfernten flüchtigen Komponente an den Sauerstoff-Wirbelschichtbrenner geliefert wird, in einer Gegenflussrichtung relativ zu dem Verbrennungsgas und somit geladen werden kann in den Sauerstoff-Wirbelschichtbrenner von einem Bereich von einer niedrigen Sauerstoffkonzentration, kann anormale Verbrennung oder plötzliche Verbrennung direkt nach dem Laden unterdrückt werden, somit Sauerstoffverbrennung erlaubend.

Der zweite Aspekt von der Erfindung stellt die folgenden vorteilhaften Effekte zusätzlich zu denen von dem ersten Aspekt bereit:

(1) Die getrocknete Braunkohle wird pyrolisiert in flüchtige Komponenten und Koks mit dem Verbrennungsgas geliefert von dem Wirbelschichtbrenner und der Koks wird weiter vergast;
(2) Unkonvertierter Koks und Asche werden zu dem Wirbelschichtbrenner geliefert, um den Koks zu verbrennen, wobei eine hohe Kalorie erreicht werden kann, somit eine hohe thermische Effizienz bereitstellend;
(3) Da der Koks keine Feuchtigkeit beinhaltet, wird eine hohe Verbrennungseffizienz und kein Hitzeverlust erreicht;
(4) Typischerweise ist Koks schwer selbstentzündlich. Allerdings wird der Koks vorgeheizt auf ungefähr 800°C, um in einer hohen Sauerstoffkonzentration verbrannt zu werden, dabei eine gleichmäßige Entzündung und Verbrennung erreichend;
(5) Verwendung des Wanderbettmodells erlaubt es, die Reaktionszeit zu verlängern, dabei Schwierigkeiten wie Adhäsion aufgrund von Teer reduzierend;
(6) Es ist möglich durch Erzeugung einer Temperaturverteilung die Komponente von einem Gas bei einem Punkt, bei welchem das Gas extrahiert wird auszuwählen; und
(7) Das Wanderbettschema für die Pyrolyse- und Vergasungseinheit ermöglicht es, die Temperatur von dem Produktgas zu verringern, so dass die nachgelagerte Einrichtung zum Kühlen von Kohlegasen, etc., beseitigt werden kann, dabei eine außergewöhnliche Energieeinspareffizienz bereitstellend und die Einrichtung kompakt machend.

Der dritte Aspekt von der Erfindung stellt die folgenden vorteilhaften Effekte zusätzlich zu denen von dem ersten und zweiten Aspekt bereit:

(1) Das Kohlenstoffdioxidgas, das von dem Wirbelschichtbrenner und dem Reformer entladen wird, wird recycelt, somit einen verbesserten Effekt der Reduzierung von Umweltbelastungen bereitstellend;
(2) Verwendung von einem inerten Gas zum Trocknen, dabei die Gefahr von Explosion, etc. reduzierend; und
(3) Da Co₂ eine hohe spezifische Wärme hat, kann Hitze mit Leichtigkeit transferiert werden (d. h., die Kühlungseffizienz ist hoch).

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht, die ein komplexes System gemäß einer Ausführungsform zur Verwendung von Kohle zur Herstellung von Koks (Englisch: char) und Rohmaterialgas und Erzeugung von elektrischer Energie darstellt.
2 ist eine Ansicht von Hitzebalance gemäß einer Ausführungsform.
3 ist eine Ansicht von Materialbalance gemäß einer Ausführungsform.
Beschreibung von Ausführungsformen
Hiernach wird eine Beschreibung gemacht bezüglich der Art zur Ausführung der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen.
1 ist eine schematische Ansicht, die ein komplexes System gemäß einer Ausführungsform zur Verwendung von Kohle zur Herstellung von Koks und Rohmaterialgas und Erzeugung von elektrischer Energie darstellt.
1 zeigt ein komplexes System 1 zur Verwendung von Kohle zur Herstellung von Koks und Rohmaterialgas und Erzeugung von elektrischer Energie. Das komplexe System 1 beinhaltet eine Trocknungseinheit 2 zum Trocknen von geringwertiger Kohle wie zum Beispiel Braunkohle, welche in Form von Grobkohle ist mit einer Korngröße von 1 μm bis 5 mm und einem Feuchtigkeitsgehalt von im Allgemeinen 60 Massenprozent, verwendend den Gasfluss von einem inerten Gas wie zum Beispiel Luft, die einen niedrigen Sauerstoffgehalt hat oder Stickstoff, von welchen jeweils Temperatur und relative Feuchtigkeit kontrolliert werden bei 60°C bis 80°C und 0% bis 70%. Das Trocknen wird fortgeführt bis der Feuchtigkeitsanteil 20 Massenprozent wird. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die Trocknungskammer von der Trocknungseinheit 2 eine Leitung für 60°C bis 90°C heißes Wasser verbunden mit einem Kondensator (der später diskutiert wird) zum Erwärmen der Kohle und eine Gasleitung zum injizieren von N₂-Gas in die Trocknungskammer, wobei das N₂-Gas in einem Sauerstoffseparator (der später diskutiert wird) separiert wird und in einem Luftvorerhitzer (der später diskutiert wird) erhitzt wird. Die Feuchtigkeit in dem Abgas in der Trocknungseinheit 2 wird recycelt durch Zusatzwasserbehandlung (Englisch: makeup water treatment) und dem Kondensator zugeführt. Das komplexe System 1 beinhaltet auch einen Staubsammler 2a zum Entfernen von Staubpartikeln, etc., von dem Abgas von der Trocknungseinheit 2. Weiter beinhaltet ist ein Reformer 3, der eingerichtet ist zum Reformieren der geringwertigen Kohle, welche in der Trocknungseinheit 2 getrocknet, und in einem Transfermaterial transferiert wurde, in zwei Stufenreaktionen von Pyrolisierung und teilweiser Vergasung und Verdampfen und Entfernen von flüchtigen Komponenten und Teerkomponenten, etc., um die geringwertige Kohle in Koks, Asche, und Kohlegas zu reformieren. Der Reformer 3 ist in der Lage zum Durchführen der Reformierung in den zweistufigen Reaktionen von der Pyrolisierung und teilweisen Vergasung, dabei angleichend die physikalischen Eigenschaften von dem Produktkoks an die Dienstanforderungen. Auch beinhaltet sind die Folgenden: Ein Wirbelschichtbrenner 4, zu welchem der Koks und Asche reformiert in dem Reformer 3 (hiernach bezeichnet als reformierte Kohle) bereitgestellt werden, um Hauptdampf für eine Dampfturbine herzustellen; einen Zyklon 5 zum Entfernen von Kohle von dem Abgas von dem Wirbelschichtbrenner 4; einen Sauerstoffvorheizer 6 zum Austauschen von Hitze zwischen dem Abgas separiert in dem Zyklon 5 und dem Sauerstoff separiert in einem Sauerstoffseparator (der später diskutiert wird), um das Sauerstoffgas vorzuheizen; und ein Sauerstoffseparator 7 zum Separieren des Sauerstoffgases und des Stickstoffgases von der Atmosphäre. Das Sauerstoffgas erhalten von dem Sauerstoffseparator 7 wird vorgeheizt in dem Sauerstoffvorheizer 6 und verwendet als ein Kraftstoffadditiv für den Wirbelschichtbrenner 4. Weiterhin wird das gleichzeitig erhaltene Stickstoffgas erhitzt und verwendet zum Trocknen der geringwertigen Kohle. Weiter beinhaltet sind die Folgenden: Ein Zyklon 8 zum Separieren von Asche, etc., von einem vergasten Gas, das flüchtige Komponenten oder Teerkomponenten beinhaltet, vergast mit einem Vergasungsmittel bestehend aus dem Abgas von dem Wirbelschichtbrenner, wenn die geringwertige Kohle in dem Reformer 3 reformiert wird; eine Katalysatorreformierungseinheit 9, welche das vergaste Gas mit der separierten Asche in dem Zyklon 8 in Kontakt mit einem Katalysator wie Zeolith, Fe, Co, Ni oder Cu bringt, um ein chemisches Rohmaterial zu raffinieren, wie ein FT-Synthesegas, Methanolsynthesegas, Ammoniumsynthesegas, Wasserstoffgas, oder natürliches Synthesegas; eine Kohlenstoffdioxidgasleitung 10 zum Bereitstellen, als ein CCS, des Verbrennungsabgases oder des Kohlenstoffdioxidgases, hergestellt (als Beiprodukt) in der Katalysatorreformierungseinheit 9 als Diluent für die Konzentration von dem Sauerstoffgas in einer Kohlenstoffdioxidgasreservoireinheit und dem Wirbelschichtbrenner 4; eine Dampfturbine 11 zum Rotieren eines Energieerzeugers mit dem Hauptdampf von dem Wirbelschichtbrenner 4; einen Kondensator 12; einen Energieerzeuger 13; und einen Trockengasvorheizer 14 zum Erlauben des sehr heißen Wassers von dem Kondensator 12 das Stickstoffgas, das in dem Sauerstoffseparator 7 separiert ist, zu erhitzen. Das Stickstoffgas, vorgeheizt in dem Trockengasvorheizer 14, wird in die Trocknungseinheit 2 eingeführt, um die geringwertige Kohle zu dehydrieren und zu trocknen. Auch beinhaltet sind die Folgenden: Eine Wasserförderpumpe 15 zum Druckbeaufschlagen von Förderwasser zum Liefern von Kondensat von dem Kondensator 12 in eine Verbrennerhitzetransferwasserleitung; einen Förderwasserheizer 16 zum Erlauben, dass Dampf (extrahierter Dampf) von der Turbine das Kondensat von der Wasserförderpumpe 15 vorheizt; und ein Kühlturm 17.
Das komplexe System, eingerichtet wie oben beschrieben zur Verwendung von Kohle zur Herstellung von Koks (Englisch: char) und Rohmaterialgas und Erzeugung von elektrischer Energie wird im Folgenden beschrieben bezüglich des Betriebs jeder Einheit.

(1) Die geringwertige Kohle wird im Voraus grob zerkleinert, z. B. in einer Kugelmühle und separiert und transferiert in einem Luftstrom, und dann geliefert an die Trocknungseinheit 2 von dem komplexen System zur Verwendung von Kohle zur Herstellung von Koks und Rohmaterialgas und Erzeugung von elektrischer Energie.
(2) In der Trocknungseinheit 2 wird ein Trocknungsgas von einer relativen Feuchtigkeit von 0% bis 70% bei einer Temperatur von 65°C bis 110°C verwendet, um den Feuchtigkeitsanteil von der geringwertigen Kohle mit der Korngröße kontrolliert auf 0,1 μm bis 5 mm auf 20 Massenprozent oder weniger zu reduzieren. Das Trocknungsgas, was verwendet wird, ist die Abfallhitze, welche recycelt wird von der Dampfturbine, Wirbelschichtbrennermaterial und dem reformierten Kohleprodukt.
(3) Der Reformer 3 verwendet vorzugsweise das Wanderbettmodell unter Einbeziehung von Schlackenmessungen (Englisch: slagging measures), in welchem Fall das Verbrennungsabgas mit dem kontrollierten Hochtemperaturanteil als pyrolytisches und teilweise vergasendes Reformierungsmittel dient. Dies erlaubt die Verlängerung der Reaktionszeit und das Verhindern von Schwierigkeiten, so wie Abdichten von Teerkomponenten. Weiterhin kann das Cracken von einer Komponente, die eine lange Kohlenstoffkette hat beschleunigt werden, und gleichfalls ermöglicht werden zum Kühlen eines Produktkohlegases zu dienen, dabei die Handhabung von dem erzeugten Kohlegas erleichternd.

Der Reformer kann einen zweistufigen Rotationsbrennofen (Englisch: two-stage rotary kiln) verwenden. Dieses erlaubt das Wählen zwischen direktem Heizen/Reformieren und indirektem Heizen durch das Verbrennungsgas. Die reformierte Kohle kann durch das Verbrennungsgas auf 600°C bis 500°C eingestellt werden und eine Einlassladetemperatur der getrockneten Kohle (Englisch: inlet dried cole charge temperature) von 300°C bis 400°C.

(4) Der Wirbelschichtbrenner 4 verwendet ein Kraftstoffadditiv, das erhalten wird durch Erlauben des Sauerstoffs separiert zu werden in dem Sauerstoffseparator 7, welcher Sauerstoff separiert von der Atmosphäre, um verdünnt zu werden mit dem Kohlenstoffdioxidgas produziert (als Beiprodukt) oder separiert von der Katalysatorreformierungseinheit 9.
(5) Die Katalysatorreformierungseinheit 9 verwendet einen festen Reformierungskatalysator wie Eisen oder eine Alkalikomponente. Konkret ist es möglich ein fixiertes Bett, etc., zu benutzen, welches einen Alkalierdekatalysator tragend ein Perowskit trägt. Dies ermöglicht es, eine schwere Komponente wie eine Teerkomponente in eine leichte Komponente zu zersetzen.

Die geringwertige Kohle, die verwendet wird kann subbituminöse Kohle, Braunkohle von geringem Feuchtigkeitsanteil (Lignit) oder Braunkohle von hohem Feuchtigkeitsanteil (Braunkohle) sein. Der Feuchtigkeitsanteil und Hitzewert davon sind in (Tabelle 1) gezeigt. [Tabelle 1]
Die Feuchtigkeit der geringwertigen Kohle ist unterteilt in Oberflächenadhäsionsfeuchtigkeit und innerer Feuchtigkeit (Gleichgewichtsfeuchtigkeit), wobei die Oberflächenadhäsionsfeuchtigkeit bei 100°C oder weniger getrocknet werden kann und entfernt werden kann.
Die Feuchtigkeit der Kohle kann reduziert werden auf ungefähr ein halb von der Gleichgewichtsfeuchtigkeit durch getrocknet werden bei 80°C bis 150°C (auch bezeichnet als typisches Trocknen). Allerdings reduziert Erhitzen und Trocknen bei 150°C oder weniger die Tendenz, dass die geringwertige Kohle reformiert wurde. In diesem Zusammenhang verwendet die Trocknungseinheit 2 ein N₂-Gas bei einer Temperatur von 60°C bis 80°C mit einer relativen Feuchtigkeit von 0% bis 70%.
Als nächstes würde Erhitzen bei ungefähr 180°C bis 300°C eine hydrophile sauerstoffbeinhaltende Gruppe so, wie die Phenolgruppe oder die Carboxylgruppe verursachen eine Tendenz zu haben pyrolisiert zu werden. Die interne Feuchtigkeit in der Kohle wird durch Heizen entfernt und die hydrophile sauerstoffbeinhaltende Gruppe so, wie die Phenolgruppe und die Carboxylgruppe wird zersetzt, um H₂O und CO₂ zu erzeugen und in hydrophob gewandelt zu werden, was in einer Verschlechterung der Hygroskopizität der Kohle resultiert. Weiterhin wird der Sauerstoffanteil der Kohle reduziert und dabei inaktiviert, somit Selbstentzündung teilweise unterdrückend.
Weiterhin verursacht Heizen auf 300°C oder höher die Gleichgewichtsfeuchtigkeit anzufangen zu reduzieren, und sich beträchtlich zu reduzieren bei 350°C oder höher auf ein halb oder weniger von der Gleichgewichtsfeuchtigkeit bei dem typischen Trocknen. Zu dem Zeitpunkt wird die Teerkomponente in der Kohle verflüssigt, um auszuströmen zu der Oberfläche durch die Poren von der Kohle. Von der Rasterelektronenaufnahme von der Oberfläche und durch die Messung von der spezifischen Oberflächenfläche kann dies gesehen werden durch die Tatsache, dass die spezifische Oberflächenfläche der Kohle beträchtlich reduziert ist. Beispielsweise, wenn Rohmaterialkohle einer spezifischen Oberflächenfläche von 1,7 m²/g erhitzt wird bei 430°C und dann schnell gekühlt wird, wird die spezifische Oberflächenfläche reduziert auf ungefähr 0,1 m²/g.
Die Teerkomponente, welche innerhalb der Poren und über einen Teil von der Kohlenoberfläche verteilt und verfestigt ist, wird betrachtet als es verursachend, dass die Kohle in spezifischer Oberflächenfläche reduziert ist und inaktiviert ist, um so in Hygroskopizität herabgesetzt zu sein, wie auch in Selbstentzündungseigenschaft. Weiterhin würde Erhitzen über 450°C bis ungefähr 500°C die Gleichgewichtsfeuchtigkeit verursachen weiter reduziert zu werden; allerdings werden von der rastelektronenmikroskopischen Aufnahme und der Messung von der spezifischen Oberflächenfläche eine Anzahl von Rissen gefunden auf der Oberfläche von der Kohle und die spezifische Oberflächenfläche erhöht sich scharf auf ungefähr 2,4 m²/g.
Weiterhin tendiert die Kohle beim Erhitzen über 500°C mehr Risse zu haben und spröde zu werden, es verursachend, dass die Erzeugung von feinem Pulver sich erhöht. In diesem Zusammenhang ermöglicht es der Reformer 3, der das Wanderbett verwendet, dass die Kohle vom Verpulvertwerden abgehalten wird aufgrund des Niedriggeschwindigkeitserhitzens mit dem Wanderbett.
Auf der anderen Seite hat die Hochfeuchtigkeitsbraunkohle von einem Feuchtigkeitsanteil von 65 Massenprozent einen Anteil an Feuchtigkeit von ungefähr 1 × 65/(100 – 65), was ungefähr gleich ist zu 1,86 kg pro 1 kg von getrockneter Kohle. Somit, da die Braunkohle von hohem Feuchtigkeitsanteil einen Feuchtigkeitsverlust von 1,86 kg von einem Kamin und der Flüssigkeitsverlust 650 kcal pro 1 kg von Wasser ist, ist der Flüssigkeitsverlust 650 × 1,86 = 1209 kcal pro 1 kg von getrockneter Kohle. Darum ist die Hitzemenge die in Dampf konvertiert werden kann 5720 – 1209 = 4511 kcal pro 1 kg von getrockneter Kohle. Das in effizienter Weise verwendbare Hitzemengenverhältnis von der Braunkohle hohen Kohlenfeuchtigkeitsanteils zu der bituminösen Kohle (die Hitzemenge, die in Dampf konvertiert werden kann ist 5720 kcal) ist 4511/5720 was ungefähr gleich ist zu 79%.
Gemäß Tabelle 1 stellt die Braunkohle hohen Feuchtigkeitsanteils eine Energieerzeugungseffizienz von 28% bereit, und wenn verglichen mit 34,5% von der bituminösen Kohle (Feuchtigkeitsanteil: 5 Massenprozent), ist es wahr, dass 28,0/34,5 ungefähr gleich ist zu 81%, was im Allgemeinen gleich ist zu dem oben genannten Hitzemengenverhältnis. Das bedeutet, dass das Hitzemengenverhältnis zwischen den zwei Arten von Kohle gleich ist mit der Differenz zwischen den Feuchtigkeitsverlusten. In diesem Zusammenhang, um die Hitzemenge von der geringwertigen Kohle bei Dehydrationsreformierung zu erhöhen, um elektrische Energie mit der geringwertigen Kohle verwendet als Kraftstoff zu erzeugen, musste die Hitzemenge erhöht werden durch den Flüssigkeitsverlust oder mehr, das heißt der Dampfverbrauch der zur Behandlung von 1 kg von Wasser erforderlich war, war ein Verbrauch von 1 kg Dampf oder mehr gemäß der konventionellen Dehydrierungsreformierungsmethode.
In diesem Zusammenhang haben die Erfinder in intensiver Weise eine eingehende Prüfung von dem komplexen System zur Verwendung von Kohle, welches hoch ist in Kalorie und Energieerzeugungseffizienz für die Herstellung von Koks und Rohmaterialgas und Erzeugung von elektrischer Energie durchgeführt und fertiggestellt als Erfindung, wobei das komplexe System eingerichtet ist die Feuchtigkeit von geringwertiger Kohle zu verdampfen mit einer kleinen Menge von Hitzeenergie genauso wie die hochflüchtige Komponente zu entfernen mit der Energie von dem Verbrennungsgas, um dasselbe zu verwenden nicht als Kraftstoff sondern als Rohmaterial für chemische Produkte.
Weiterhin weist das Betriebsverfahren von dem System die folgenden Schritte auf: einen Korngrößenkontrollschritt des in kontrollierter Weise Zerkleinerns von geringwertiger Kohle in Korngrößen von ungefähr 0,1 μm bis 5 mm; ein Trocknungsschritt des Trocknens von geringwertiger Kohle aufweisend kontrollierte Korngrößen zu einem Feuchtigkeitsanteil von 20 Massenprozent oder weniger; einen Reformierungsschritt des Verwendens von Abgas von einem Wirbelschichtbrenner zum Reformieren der getrockneten Kohle getrocknet in dem Trocknungsschritt; einen Katalysatorreformierungsschritt zum Reformieren des vergasten Gases reformiert in dem Reformierungsschritt in ein chemisches Rohmaterial; ein Verbrennungsschritt des Verbrennens in den Wirbelschichtbrenner der reformierten Kohle (Koks und Asche) reformiert in dem Reformierungsschritt um Dampf zu produzieren; und einen Energieerzeugungsschritt zum Erzeugen von elektrischer Energie durch den Dampf. Weiterhin wird das Betriebsverfahren erreicht durch den Reformierungsschritt beinhaltend einen Pyrolyseschritt zum Pyrolisieren der getrockneten Kohle und ein Vergasungsschritt zum Vergasen der pyrolisierten und getrockneten Kohle. Der Koks, welcher in exzessiver Weise produziert werden kann, kann verwendet werden als Kohlenstoffmaterial für Stahlproduktion und als transportierbarer fester Kraftstoff.
Im Folgenden wurde eine Computersimulation durchgeführt bezüglich der Hitzebalance und der Materialbalance von dem komplexen System gemäß dieser Ausführungsform zur Verwendung von Kohle für die Herstellung von Koks und Rohmaterialgas und Erzeugung von elektrischer Energie. Als Bedingung wurde unbearbeitete Braunkohle konventioneller (Englisch: Victorian) Herkunft verwendet als geringwertige Kohle. Die Anfangsfeuchtigkeit von der Braunkohle war 60 Massenprozent, die Feuchtigkeit der getrockneten Braunkohle getrocknet in der Trocknungseinheit 2 war 20 Massenprozent, das Kraftstoffverhältnis war 1,2 und die elektrische Energie wurde mit einer Effizienz von 30% erzeugt.
Die Resultate sind in den 2 und 3 gezeigt. 2 ist eine Ansicht, die eine Hitzebalance gemäß der Ausführungsform zeigt und 3 ist eine Ansicht, die eine Materialbalance gemäß der Ausführungsform zeigt.
Von 2 und 3, wenn die Feuchtigkeit von der Kraftstoffbraunkohle reduziert ist, wird die Hitzeenergie, die verwendet werden kann für elektrische Energieerzeugung erhöht, das bedeutet, dass die Menge der Energieerzeugung erhöht wird. Es wird auch gesehen, dass die Abgashitze, die bei dem Energieerzeugungsprozess erzeugt wird verwendet wird für die Trocknungsenergie dabei bereitstellend eine erhöhte Effizienz. Weiterhin kann Reduzieren der Feuchtigkeit von der Braunkohle eine Erhöhung in der erzeugten Retortengasenthalpie (Englisch: retort gas enthalpy) verursachen, somit eine weiter verbesserte Effizienz in dem Retortenbetrieb erreichend. Weiterhin vereinfacht die Verwendung von CO₂ Zirkulation das Recyceln von CO₂ sogar wenn CO₂ Speicherung beabsichtigt ist.
Industrielle Anwendbarkeit
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird getrocknete geringwertige Kohle pyrolisiert und vergast während dem Bewegtwerden in einem Reformer wie dem Wanderbett, durch die Verbrennungshitze von reformierter Braunkohle in dem Wirbelschichtbrenner (Englisch: fluidized bed combustor; FBC), um Kohlenwasserstoffgas und Koks, etc., zu recyceln und der reformierte Koks wird geliefert an den Sauerstoff-Wirbelschichtbrenner, um Dampf zu produzieren für elektrische Energieerzeugung dabei erzeugend elektrische Energie und produzierend CO₂-Gas bei einer kontrollierten Zuleitungstemperatur für Pyrolisierung und Vergasung. Dies erlaubt ein komplexes System bereitzustellen, welches in der Lage ist, Kohle zu verwenden für die Herstellung von Koks und Rohmaterialgas und Erzeugung von elektrischer Energie durch das Verschmelzen von elektrischer Energieerzeugung und Kohlechemie, um volle Verwendung von Hitze, Elektrizität und chemischen Produkten zu machen.
Bezugszeichenliste

1: komplexes System zur Verwendung von Kohle bei der Herstellung von Koks (Englisch: char) und Rohmaterialgas und Herstellung von elektrischer Energie
2: Trocknungseinheit
3: Reformer
4: Wirbelschichtbrenner (Englisch: fluidized bed combustor)
5: Zyklon
6: Sauerstoffvorheizer
7: Sauerstoffseparierer
8: Zyklon
9: Katalysatorreformierungseinheit
10: Kohlenstoffdioxidgasrohr
11: Dampfturbine
12: Kondensator
13: Energieerzeuger
14: Trocknungsgasvorheizer
15: Wasserförderpumpe
16: Förderwasserheizer
17: Kühlwasserturm

Claims

Ein komplexes System zur Verwendung von Kohle zur Herstellung von Koks (Englisch char) und Rohmaterialgas und Erzeugung von elektrischer Energie, wobei das komplexe System gekennzeichnet ist durch Aufweisen von: einer Trocknungseinheit zum Trocknen geringwertiger Kohle von hohem Feuchtigkeitsanteil; einem Reformer zur Reformierung der geringwertigen Kohle, die getrocknet wurde in der Trocknungseinheit; einem Wirbelschichtbrenner (Englisch: fluidized bed combustor) zur Verwendung, als ein Kraftstoff, der reformierten Kohle erhalten in dem Reformer; einer Produktgaszuleitung zum Zuleiten eines Verbrennungsabgases von dem Wirbelschichtbrenner als ein pyrolytisches und vergasendes Mittel zu dem Reformer; und einer Katalysatorreformierungseinheit zum Reformieren einer flüchtigen Komponente und des Verbrennungsabgases erhalten von der geringwertigen Kohle reformiert in dem Reformer.
Das komplexe System gemäß Anspruch 1 zur Verwendung von Kohle zur Herstellung von Koks (Englisch: char) und Rohmaterialgas und Erzeugung von elektrischer Energie, wobei das komplexe System gekennzeichnet ist durch Aufweisen von: einer Pyrolyseeinheit zum Erlauben eines aufsteigenden Flusses von dem Verbrennungsabgas von dem Wirbelschichtbrenner zum Zersetzen der geringwertigen Kohle zugeleitet von der Trocknungseinheit bei einer Pyrolysetemperatur von 300°C bis 600°C während der Reformer die geringwertige Kohle bewegt; und eine Vergasungseinheit zum teilweisen Zersetzen des Geringwert-Kohle-Koks hergestellt in der Pyrolyseeinheit von gebundenem Kohlenstoff in CO und H₂ bei 600°C bis 800°C.
Das komplexe System gemäß Anspruch 1 oder 2 zur Verwendung von Kohle zur Herstellung von Koks (Englisch: char) und Rohmaterialgas und Erzeugung von elektrischer Energie, wobei das komplexe System dadurch gekennzeichnet ist, dass Kohlenstoffdioxidgas zugeleitet wird als Verdünner für Kraftstoffzusatzsauerstoff zu dem Wirbelschichtbrenner ein Kohlenstoffdioxidgas ist, entladen und separiert von der Katalysatorreformierungseinheit.