DE2161718A1

DE2161718A1 - Verfahren zur vergasung von fossilen brennstoffen

Info

Publication number: DE2161718A1
Application number: DE2161718A
Authority: DE
Inventors: Karl Heinrich Van Dr Heek; Harald Dr Juentgen; Werner Prof Dr Peters
Original assignee: Bergwerksverband GmbH
Current assignee: Bergwerksverband GmbH
Priority date: 1971-12-13
Filing date: 1971-12-13
Publication date: 1973-06-14

Description

Verfahren zur Vergasung von fossilen Brennstoffen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergasung von fossilen Brennstoffen in Gegenwart von Vergasungsmitteln mittels eines im Gleichstrom mit dem Brennstoff von oben nach unten durch einen Reaktor geführten Kreislaufes fester Wärmeträger, die in einen Wärmeaustauscher, der primärseitig vom heissen Kühlgas eines gasgekühlten Hochtemperatur-Kernreaktors durchströmt wird, aufgeheizt werden.
Der Zweck eines solchen Verfahrens besteht darin, gasförmige Produkte aus Brennstoffen, insbesondere aus Braun- oder Steinkohlen, durch Vergasung derselben mit geeigneten Vergasungsmitteln zu erzeugen, die entweder als Ausgangsstoffe für Synthesen in der chemischen Industrie oder als gasförmige Brennstoffe zur Wärme- und Elektrizitätserzeugung Verwendung finden können.
Es sind seit langem verschiedene Verfahren zur Vergasung von festen Brennstoffen bekannt (Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie 10, 1958, S. 376 ff). Für die Art der Wärmezufuhr bei den endothermen-Vergasungsreaktionen sind mehrere Möglichkeiten bekannt. Die benötigte Wärme kann hierbei entweder durch Verbrennung eines Teils des Brennstoffs innerhalb des Vergasungsreaktors kontinuierlich während der Vergasung (autotherme Vergasung) oder durch Verbrennung eines Teils des Brennstoffes oder des erzeugten Gases ausserhalb des Vergaserraumes (allotherme Vergasung) erzeugt werden. Im letzteren Fall wird die erzeugte Wärme entweder durch die Wände des Vergasungsreaktors (Aussenbeheizung) oder mittels Wärmespeicherung in bewegten, festen, flüssigen oder gasförmigen Wärmeträgern in den Vergaserraum eingebracht (Ullmann 10, 1958, S. 377, letzter Absatz bis 378, insbesondere Tab. 3).
Es ist weiter bekannt, Hochtemperaturkernreaktoren als Wärmequelle für die endotherme Vergasungsreaktion zu benutzen, indem entweder das Vergasungsgemisch im geschlossenen Kreislauf durch den Kernreaktor geführt wird oder inerte Wärmeträger im geschlossenen Kreislauf durch den Reaktor und den Vergaser geführt werden (Ullmann 10, 1958, S. 447, Abs. 4/5). Bei gasgekühlten Hochtemperaturkernreaktoren ist es bekannt, die Kernreaktorwärme mittels des Helium-Kreislaufs über in das auf gewirbelte Vergasungsgemisch eintauchende Wärmeaustauscher (Glückauf 105, 1969, 5. 1283) oder über einen dazwischen geschalteten festen bzw. flüssigen Wärmeträgerkreislauf in den Vergasungsraum einzubringen (Berichte der Kernforschungsanlage Jülich Nr. 576, 1969, S. 12/13 und 17/18).
Während alle zuerst genannten bekannten Verfahren den Nachteil haben, dass man die benötigte Wärme durch Teilverbrennung des fossilen Ausgangsmaterials erzeugen muss, wodurch ein grosser Teil des eingesetzten Brennstoffes nicht als Gas gewonnen wird, kommt bei den autothermen Verfahren ausserdem hinzu, dass man die Verbrennung im Vergasungsreaktor mit reinem Sauerstoff vornehmen muss. Diese Nachteile werden durch die Verwendung von Kernreaktorwärme zwar überwunden, jedoch ist zunächst die Einbringung der Kernreaktorwärme in den Vergasungsprozess technologisch befriedigend zu lösen, da diese bekannten Verfahren hohe Anforderungen an den Wärmetauscher bezüglich seiner Korrosions- und Erosionsfestigkeit sowie des Wärmeübergangs stellen. Besondere Vorteile verspricht die Einbringung der Reaktorwärme über einen dazwischengeschalteten Kreislauf aus festen Wärmeträgern. Die Übertragung von Wärme aus heissen Gasen auf feste Wärmeträger ist bekannt, beispielsweise indem der Wärmeaustausch über Trennflächen zwischen dem Strömungsmedium einerseits und durch Einblasen eines Gases im Wirbelzustand gehaltenen körnigen oder staubförmigen Materialien andererseits erfolgt (DAS 1 205 565, DBP 900 578). Diese Arbeitsweise ist jedoch bei Helium mit einer Reaktoraustritts-0 temperatur von 1200 C und einem Druck von 40 Atm. nicht durchführbar. Ausserdem ist es bekannt, beispielsweise beim Pebbleheater heisse Rauchgase direkt durch eine Schüttung fester Wärmeträger streichen zu lassen. Eine solche Arbeitsweise kommt jedoch im vorliegenden Fall nicht in Frage, da aus Sicherheitsgründen das Kühlgas des Kernreaktors im geschlossenen Kreislauf geführt werden muss.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zlsgrunde, die im Kühlgaskreislauf eines Hochtemperaturkernreaktors zur Verfügung stehende fühlbare Wärme auf einen Kreislauf fester Wärmeträger zu übertragen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die festen Wärmeträger in einer Wanderschicht von oben nach unten durch Rohre eines Wärmeaustauschers geführt werden. Besonders gute Austauschergebnisse werden erzielt, wenn erfindungsgemäss das Verhältnis der Höhe zum Durchmesser der Wanderschicht des Wärmeträgers den Röhren 20 : 1, vorzugsweise 30 : 1 beträgt.
Am Austritt der Röhren werden die Wärmeträger gesammelt und in einen Gasgenerator geleitet, wo sie ihre Wärme zur Durchführung der wärmeverbrauchenden Vergasungsreaktionen abgeben.
Um die Korrosion an den Innenflächen der Wärmeaustauscherröhren zu vermeiden und um Diffusion von Vergasungsprodukten weitgehend zu drosseln kann erfindungsgemäss der Ubertritt des Produktionsgases aus dem Vergasungsreaktor in den Wärmeaustauscher durch eine gasdichte Schleuse verhindert werden. Ausserdem können zur Erhöhung des Wärmeübergangs in die Wärmeaustauscherröhren erfindungsgemäss die Wanderschichten des Wärmeträgers mit einem Inertgas gespült werden.
Als feste Wärmeträger können beliebige inerte körnige Materialien, wie z.B. Sand oder keramische Formkörper zur Anwendung kommen.
Besonders gute Ergebnisse erzielt man, wenn erfindungsgemäss der feste Vergasungsrückstand (Koks) als Wärmeträger verwendet wird. Der besondere Vorteil dieser Arbeitsweise liegt darin, dass der Gesamtkreislauf nur aus einem festn Stoff, nämlich dem Vergasungsrückstand, besteht und sich ausserdem der Anteil des reagierenden Feststoffes im Vergasungsraum und damit die Vergasungsgeschwindigkeit und der Umsatz erhöhen.
Besondere Vorteile verspricht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die fossilen Brennstoffe in einen oberhalb der Wanderschichten des Wärmeträgers befindlichen Sammelraum des Wärmeaustauschers eingespeist werden. Auf diese Weise gewinnt man direkt das Pyrolysegas, das entsteht, wenn sich z.B.
Kohle mit den heissen Wärmeträgern mischt. Dieses Gas ist stark methanhaltig und kann gesondert als Gas mit hohem Heizwert verwendet werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Figur 1 ein Fließschema der gesamten Anlage, Figur 2 und Figur 3 im Detail das Fließschema des Wärmeaustauschers bei zwei Verfahrensvarianten.
Gemäss Figur 1 wird die in einem Hochtempeaturreaktor 1 mit einer Leistung von 1000 MW durch Kernspaltung erzeugte Wärme mit einem Heliumgasstrom von etwa 40 Atm. bei einem Gasdurchsatz von etwa 300 kg/ sec mit einer Tem-t'peratur von etwa 12000 C abgeführt. Hinter dem Austritt aus dem Kernreaktor verzweigt sich der Heliumstrom auf einen oder mehrere Wärmeaustauscher 2, wobei das Gas die Aussenflächen von beispielsweise 3 m langen Rohren mit einem Durchmesser von 10 cm umspült und dabei seine Wärme an die in den Rohren in einer Wanderschicht sich von oben nach unten bewegenden Wärmeträger abgibt. Hierbei kühlt sich das Helium auf etwa 6000C ab. Jeder Wärmeaustauscher enthält beispielsweise 10000 Einzelrohre, die in 20 Bündel zu je 500 Rohre zusammengefasst sind. Jedes Rohrbündel hat eine Querschnittsfläche von etwa 6,5 m2. Das Helium durchläuft danach eine Stufe 5, in der die im Helium noch vorhandene Wärme beispielsweise zur Erzeugung von Dampf oder zur Erzeugung von Elektrizität genutzt werden kann, wobei letzteres über eine Dampf- oder eine Gasturbine erfolgt. Darauf tritt das Helium mit einer Temperatur von etwa 4000C wieder in das Core des Hochtemperaturreaktors 1 ein.
Die in den Wärmeaustauschern 2 aufgeheizten Wärmeträger werden in einer Menge von etwa 3000 t/h in einen Vergasungsreaktor 3 übergeführt, in den beispielsweise 150 t/h Kohle und Wasserdampf von 40 Atm eingespeist werden und geben einen Teil ihrer 0 Wärme zur Durchführung der bei etwa 950 C ablaufenden endothermen Vergasungsreaktion mit Wasserdampf ab. Die noch heissen festen Wärmeträger werden am unteren Ende des Vergasungsreaktors 3 abgezogen, in einer Einrichtung 11 von der Asche getrennt und über eine Förderleitung 4 in einen Sammelraum 6 geführt, von wo aus sie als Wanderschichten wiederum die Wärmeaustauscherröhren durchströmen. Hierbei kann der obere Teil des Wärmeaustauschers 2 mit Einrichtungen versehen sein, die eine gleichmässige Verteilung des Wärmeträgers auf alle Austauscherröhten ermöglichen. Der Vergasungsreaktor 3 erreicht bei der beschriebenen Arbeitsweise eine Rohgasleistung von 500 000 Nm3/h.
Figur 2 zeigt beispielsweise einen Wärmeaustauscher 2, der über eine gasdichte Gasschleuse 7 vom Vergasungsreaktor 3 getrennt und mit Inertgas, beispielsweise Stickstoff, gespült wird. Das Inertgas kann dazu über eine Pumpe 8 im Kreislauf geführt werden, wobei es die mit dem Wärmeträgerkreislauf eingebrachten gasförmigen Reaktionsprodukte aus dem Sammelraum 6 abführt, die dann auf geeignete Weise, beispielsweise durch eine Verbrennung 9 und eine Gasreinigung 10 aus dem INertgasstrom entfernt werden können.
Figur 3 zeigt eine Variante des Wärmeaustauschers 2, bei der die zu vergasende Kohle in den Sammelraum 6 eingeführt wird.
Sie vermischt sich dort mit den noch heissen Wärmeträgern, wobei vorwiegend gasförmige Produkte, in erster Linie Methan, entstehen, die als Nutzgas abgeführt werden können. Der verbleibende Restkoks wird mit den Wärmeträgern zusammen im Wärmeaustauscher 2 aufgeheizt und durch die Schleuse 7 zum Vergasungsreaktor 3 zur Vergasung mit Wasserdampf geleitet.

Claims

Patentansprüche:

Q Verfahren zur Vergasung von fossilen Brennstoffen in Gegenwart von Vergasungsmitteln mittels eines im Gleichstrom mit dem Brennstoff von oben nach unten durch einen Reaktor geführten Kreislaufes fester Wärmeträger, die in einem Wärmeaustauscher, der primärseitig vom heissen Kühlgas eines gasgekühlten Hochtemperatur-Kernreaktors durchströmt wird, aufgeheizt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Wärmeträger in einer Wanderschicht von oben nach unten durch die Rohre eines Wärmeaustauschers geführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Höhe zum Durchmesser der Wanderschicht des Wärmeträgers in den Röhren 20 : 1, vorzugsweise 30 : 1 beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ubertritt des Produktionsgases aus dem Vergasungsreaktor in den Wärmeaustauscher durch eine gasdichte Schleuse verhindert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanderschichten des Wärmeträgers mit einem Inertgas gespült werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeträger der feste Vergasungsrückstand verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die fossilen Brennstoffe in einen oberhalb der Wanderschichten des Wärmeträgers befindlichen Sammelraum des Wärmeaustauschers eingespeist werden.

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