DE2246407A1 - Verfahren zur stromerzeugung - Google Patents

Verfahren zur stromerzeugung

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Description

HK
2 24 6 A 07 Eseen, den 19. 9. 1972 N 4529/11 Dr.Ha/Wi.
Heinrich Koppers Gesellschaft mit beschränkter Haftung Essen, Moltkestrasse 29
Verfahren zur Stromerzeugung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stromerzeugung, bei dem als Energiequelle durch Partialoxydation (Vergasung) von Staubkohle gewonnene heia se Gase verwendet werden.
Ein sehr wichtiges Problem bei der Stromerzeugung besteht bekanntlich darin, dass der Strombedarf zu den verschiedenen Tageszeiten unterschiedlich hoch ist. Die Stromerzeuger müssen daher neben einer gewissen Grundlast, die in etwa während des gesamten 24-Stundentage β in das Stromversorgungsnetz eingespeist werden kann, zur Deckung des nur zeitweilig auftretenden Spitzenbedarf es eine sogenannte Spitzenlast produzieren, die nicht während des gesamten 24-Stundentages abgesetzt werden kann. Man hat bereite zahlreiche Versuche unternommen, diese, die Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung stark beeinträchtigende Erscheinung durch geeignete Massnahmen auszugleichen, wie beispielsweise durch die Schaffung von grossräumigen Verbundnetzen. In derartigen Verbundnetzen können nftmlich die regional oft zu unterschiedlichen Zeitpunkten auftretenden Strombedarf β spitzen besser ausgeglichen werden.
4098U/0648 ./.
-ζ-
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Auch die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Lösung dieses Problems, wobei es sich allerdings - wie bereits eingangs erwähnt wurde - um ein Verfahren zur Stromerzeugung handelt, bei dem als Energiequelle durch Partialoxydation (Vergasung) von Staubkohle gewonnene heisse Gase verwendet werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekannzeichnet, dass die Staubkohle bei normalem Druck und einer Temperatur von etwa 1500 * C im Gleichstrom mit vorgewärmter Luft vergast wird und das dabei anfallende heisee Gas in einem separaten Abhitzekessel auf etwa 150 β C gekühlt, sodann einer elektrostatischen Entstaubung unterworfen, auf etwa 20 - 50 ata verdichtet und danach entschwefelt wird, wobei der im Abhitzekessel gewonnene Dampf ganz oder teilweise zur Erzeugung der Strommenge genutet wird, die zur Deckung der sogenannten Grundlast ausreicht, während die zur Deckung der sogenannten Spitzenlast benötigte Strommenge aus der Gesamtheit oder einer Teilmenge des verdichteten und entschwefelten Gases gewonnen wird und der nicht zur Stromerzeugung benötigte Anteil dieses Gases einer anderweitigen Verwertung zugeführt wird.
Beim erfindungsgemässen Verfahren wird also die Grosse der bei Normal druck arbeitenden Staubvergasungeanlage so ausge-
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legt« dass die Abwärme des dort erzeugten heiseen Gases mindestens ausreicht, um in Form von Abhitzedampf als Energiequelle für die Erzeugung der Strommenge zu dienen, die zur Deckung der sogenannten Grundlast erforderlich ist.
Das dabei erzeugte heisse Gas wird nicht in jedem Falle und zu jeder Zeit im vollen Umfange zur Stromerzeugung, die dann der Deckung der sogenannten Spitzenlast dient, herangezogen werden müssen. Der nicht für die Stromerzeugung benötigte Anteil des Gases muss also einer anderweitigen Verwertung zugeführt werden. Insbesondere kann das Gas dabei in ein sogen. Ammoniak-Syntheeegas, in Wasserstoff oder ein methanreiches Gas umgewandelt werden. Diese Umwandlungen können bei entsprechender Aufteilung des Gases natürlich auch, wie das nachfolgende Beispiel zeigen wird, nebeneinander durchgeführt werden. Selbstverständlihch ist es ebenso möglich, den nicht zur Stromerzeugung benötigten Anteil des Gases einem anderen, hier nicht genannten Verwendungszweck zuzuführen.
Die zur Durchführung des erfindungsgeinässen Verfahrens benötigte Staubkohle kann durch eine sogenannte Mahltrocknung, wie sie im nachfolgenden Beispiel beschrieben wird, gewonnen werden. In vielen
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Fällen fällt die Staubkohle jedoch bereite als Abfallprodukt der Kohle gewinnung an, insbesondere dann, wenn diese unter bestimmten Abbaubedingungen betrieben wird. Es liegt auf der Hand« dass man in diesen Fällen nur für eine entsprechende Vortrocknung der bereite vorliegenden Staubkohle sorgen muss.
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemässen Verfahrene ist darin zu sehen, dass die Vergasung der Staubkohle unter Normaldruck durchgeführt wird. Bisher wurde angestrebt, derartige Staub -vergaser, die bei Temperaturen von etwa 1500 * C und mithin oberhalb des Schlackenschmelzpunkte β arbeiten, unter erhöhtem Druck zu betreiben. Die Einschleusung der im vorliegenden Falle benötigten Kohlenmengen, die beispielsweise 500 Tonnen pro Stunde betragen können, wirft bei einem unter erhöhtem Druck arbeitenden Staubvergaser jedoch gewisse technische Probleme auf. Deshalb sieht das erfindungsgemässe Verfahren vor, dass erst das erzeugte Gas, nachdem es einer elektrostatischen Entstaubung unterworfen worden ist« auf einen erhöhten Druck von 30 - 50 ata verdichtet wird. Dmx bei anderen Ve rgasungs verfahr en manchmal vorhandene Vorteil der Anwendung erhöhten Druckes zur Einsparung von Verdichtungsarbeit besteht bei der Vergasung mit Luft, wie sie die vorliegende Erfindung vorsieht, nicht.
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.5-
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Das erfindun gage masse Verfahren soll nachfolgend in einem Verfahren·- beiapiel an Hand dea in der Abbildung wie der gegebenen Flies β Schemas weiter erläutert werden :
Die zu vergasende Kohle (Rohbraunkohle oder Steinkohle) gelangt aus dem Bunker 1 durch die Leitung 2 in daa Trockenrohr 3, das in seinem oberen Teil erweitert und als Sichter ausgebildet ist. Gleichzeitig wird in der Feuerungsanlage 4 Staubkohle verbrannt. Die dabei entstehenden heissen Feuerungsgase werden durch die Leitung 5 mit etwa 800 ° C von unten in das Trockenrohr 3 eingeblasen. Die groben Kohlekörner werden in dem oberen, als Sichter ausgebildeten Teil des Trockenrohres aus dem aufsteigenden Gasstrom zurückgehalten. Der vom Gas mitgerissene Feinstaub wird trocken im Zyklon 7 abgeschieden, und die bei der Kohlentrocknung anfallenden Brüden werden durch die Leitung 6 abgezogen, nachdem sie die Kühl- und Reinigungsstufe 8 passiert haben. Die im oberen Teil des Trockenrohres 3 zurückgehaltene grobe Kohle gelangt.durch die Leitung 9 in die Rohrmühle 11, in der ihre Aufmahlung erfolgt. Die gemahlene Kohle wird durch die Leitung 12 in den unteren Teil des Trockenrohres zurückgefördert. Währenddessen flies st die im Zyklon 7 abgeschiedene Staubkohle über die Leitung 10 zum Zwischenbunker 13. Von hier aus wird die trockene Staubkohle in die Leitung 14 eingespeist, durch die die für die Vergasung benötigte Luft strömt.
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Die Luft ist zuvor im Gebläse 15 verdichtet und im Luftvorwärmer 16 auf etwa 600 * C vorgewärmt worden. Die Vergasung des Gemisches aus Luft und gemahlener Kohle erfolgt in dem Staubvergaeer 17 bei einer Temperatur von etwa 1500 * C. Die bei der Vergasung anfallen de, geschmolzene Schlacke wird durch die Leitung 18 schmelsflüssig abgezogen und anachlieesend granuliert. Da die Vergasung unter Normaldruck erfolgt, muss der Staubvergaeer 17 entsprechend gross dimensioniert sein. Zur Verhinderung von Wärmeverlusten durch Abetrahlung muss der Staubvergaeer mit einer wirksamen Wärmeisolierung versehen sein. Der Abhitzekessel 20 ist deshalb auch nicht im Staubvergaser selbst untergebracht, sondern getrennt von diesem angeordnet.
Werden einem Staubvergaser pro Stunde 100 Tonnen Braunkohle im gemahlenen und trockenen Zustand zugeführt, so entstehen stündlich rund 400 000 Nm eines Gases mit folgender Zusammensetzung :
3,4VoI. -% 2
26,0Vol.-% CO
9,4 Vol.-% H2
- Vol. - % CH,
4
61,0 Vol. -% N
0, 2 Vol. -% Schwefelverb.
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Dae heisse Gas, das durch die Leitung 19 in den Abhitzekessel 20 gelangt, wird dort von etwa 1500 * C auf etwa 150 * C heruntergekühlt. Dabei wird Hochdruckdampf mit einem Druck von 120 ata und einer Temperatur von 520 * G erzeugt, der durch die Leitung 21 zur Turbine 22 geleitet wird. Diese ist mit dem Stromerzeugungsaggregat 23 gekoppelt, das zur Erzeugung der sogenannten Grundläst dient. Der in der Turbine 22 entspannte und abgekühlte Dampf gelangt über die Leitung 24 in den Kondensator 25. Das dort benötigte Kühlwasser kommt vom Kühlturm 27 über die Leitung 28 und wird nach seiner Erwärmung im Kondensator 25 über die Leitung 26 wieder auf den Kühlturm 27 aufgegeben. Das im Kondensator gewonnene Kondensat dient als Speisewasser für den Abhitzekessel 20 und wird durch die Leitung 29 in diesen zurückgepumpt.
Im Falle des vorliegenden Beispiels braucht der im Abhitzekessel 20 erzeugte Hochdruckdampf nicht in seiner Gesamtheit zur Turbine 22 geleitet zu werden. Eine Teilmenge des"" Dampfes kann auch über die Leitung 30 den nachgeschalteten Gasverarbeitungsstufen zugeführt werden.
Das Gas verlässt währenddessen mit einer Temperatur von etwa 150 * C den Abhitzekessel 20 und gelangt über die elektrostatische
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Entstaubung 32 und die Leitung 31 zum Verdichter 33 . Hier erfolgt die Verdichtung des Gases auf einen Druck von etwa 30 ata. Da· verdichtete Gas gelangt sodann durch die Leitung 34 in die Entschwefelungsanlage 35. Hier werden die Schwefelverbindungen· insbesondere HS, durch Behandlung mit einer hierfür geeigneten Lösung in an sich bekannter Weise ausgewaschen. Die Lösung flies st dabei von oben nach unten im Gegenetrom zu dem in der Entechwefelungsanlage aufsteigenden Gas. Die mit den Schwefelverbindungen beladene Lösung gelangt durch die Leitung 36 in den Abtreiber 37, in dem ihre Regenerierung erfolgt. Abgetriebener H.S wird durch die Leitung dem C lau β ofen 39 zugeführt und dort zu elementarem Schwefel verbrannt, der über die Leitung 40 aus dem Verfahren ausgeführt wird. Währenddessen wird die regenerierte Lösung aus dem Abtreiber 37 durch die Leitung 41 wieder auf den Kopf der Entechwefelungsanlage 35 zurückgepumpt.
Das entschwefelte und verdichtete Gas gelangt durch die Leitung 42 zum Verteilungepunkt 43, an dem seine weitere Aufteilung erfolgt. Der Anteil des Gases, der zur Stromerzeugung genutzt werden soll, gelangt über die Leitung 44 in die Druckfeuerung 45, in der er beispielsweise bei etwa 1500 * C und 30 ata verbrannt wird. Die hierfür
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notwendige Verbrennungeluft wird durch die Leitung 46, nachdem sie im Verdichter 71 entsprechend verdichtet wurde, in die Druckfeuerung eingeblasen . Die aus der Druckfeuerung durch die Leitung 47 austretenden he ie s en Verbrennungsgase werden durch Zumischen von verdichteter Luft« die durch die Bypass-Leitung 48 herbeigeführt wird, auf etwa 820 ° C gekühlt. Das daraus resultierende Gemisch wird in die Turbine 49 eingeleitet und dort entspannt. Das entspannte Gas hat nach dem Austritt aus der Turbine noch eine Temperatur von etwa 150 *C und gelangt über die Leitung 50 zum Kamin. Die Turbine 49 ist mit dem Stromerzeugungsaggregat 51 gekoppelt, das der Erzeugung der sogenannten Spitzenlast dient.
Der nicht zur Stromerzeugung benötigte Anteil des entschwefelten und verdichteten Gases wird im vorliegenden Beispiel am Verteilungepunkt 43 in zwei Teilströme aufgeteilt. Der eine Teilstrom gelangt durch die Leitung 52 in die Mathanisierungsanlage 53, in der das Gas bei etwa 400 β C in Gegenwart eines hierfür geeigneten Katalysators, beispielsweise eines Eisenkatalysators, einer Methanisierung unterworfen wird. Der für die Umsetzung benötigte Wasserdampf kann von der Leitung 30 über die Leitung 54 herbeigeführt werden. Wenn durch die Leitung 30 kein Dampf zur Verfügung gestellt werden kann, dann muss der Dampf natürlich aus fremder Quelle in die Leitung 54 eingespeist werden. Das durch die Leitung 55 aus der Methanis ie rungs-
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anlage austretende Gas hat folgende Zusammensetzung ·
22,8 Vol.-% CO2 9.7 Vol.-% CH4 67,5 Vol.-% N2 Spuren H , CO und H_O.
c* C»
Das Gas wird in den Wärmeaustauscher 56 eingeleitet und dort im Wärmeaustausch mit den von der Gas Zerlegungsanlage 57 kommenden Gas strömen abgekühlt. Dabei wird das CO_ aus dem Gas abgetrennt und durch die Leitung 58 aus dem Verfahren ausgeführt. In der Gae-
zerlegungeanlage erfolgt die Trennung von CH und N . CH wird , 4 <: 4
durch die Leitung 59, die den Wärmeaustauscher 56 passiert, abgesogen, während der Abzug von N in gleicher Weise über die Leitung
60 erfolgt.
Der zweite Teilstrom des verdichteten und entechwefelten Gases wird über die Leitung 61 in die Konvertierungsanlage 62 eingeleitet. Die Zuführung des benötigten Konvertierungedampfes erfolgt von der Leitung 30 über die Leitung 63, wobei hier natürlich ebenfalls gegebenenfalls Dampf aus fremder Quelle eingespeist werden muss. Die Konvertierung des Gases erfolgt in an sich bekannter Weise (Hoch- oder Tieftemper a tür konvertierung) an hierfür geeigneten Katalysatoren. Das durch die Leitung 64 aua der Konvertierungeanlage 62 auetretende Gas hat folgende Zusammensetzung :
4098U/U648 ·/·
19. 9. 1972 N 4529/11
23,4VoI.-% CO
L*
28, 2 Vol. - % H
Lt
48,4VoI.-% N2 "
Spuren CO und HO
Lt
Dieses Gas gelangt über den Wärmeaustauscher 65 in die Gaszerlegungeanlage 66. Durch die Abkühlung im Wärmeaustauscher wird das CO- aus dem Gas abgetrennt und über üie Leitung 67 abgezogen. Aus der Gaszerlegungsanlage 66 kann über die Leitung 68 ein Gas abgezogen werden, dessen N : H- Verhältnis bei 1:3 liegt und das daher für die Ammoniaksynthese weiterverwendet werden kann. Überschüssiger H wird über die Leitung 69 und den Wärmeaustauscher 65 abgezogen, während überschüssiger N über die Leitung 70
Lt
und den Wärmeaustauscher 65 in die Leitung 60 eingeleitet und mit dem dort bereits vorhandenen N vereinigt wird.
Ct
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht eine grosse Flexibilität bei der Stromerzeugung, wobei durch die sinnvolle Verknüpfung mit einer Gas Verarbeitungsstufe eine gute Wirtschaftlichkeit des Gesamt · verfahrene in jedem Falle gewährleistet ist.
Das in der Abbildung dargestellte Fliessschema gibt nur die zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wesentlichen Anlagenteile wieder, während unwesentliche Anlagenteile, wie beispielsweise Ventile, Pumpen u. s. w., nicht dargestellt sind.
409814/U648 ■/·

Claims (7)

19. 9. 1972
N 4529/11
Patentansprüche :
( 1. !Verfahren zur Stromerzeugung, bei dem als Energiequelle die durch Partialoxydation (Vergasung) von Staubkohle gewonnenen heiseen Gase verwendet werden, dadurch gekenn-
zeichnet, da β β die Staubkohle bei normalem Druck und einer Temperatur von etwa 1500 * C im Gleichstrom mit vorgewärmter Luft vergast wird und das dabei anfallende heieee Gas in einem separaten Abhitzekessel auf etwa 150 ° C gekühlt, sodann einer elektrostatischen Entstaubung unterworfen, auf etwa 20 - 50 ata verdichtet und danach entschwefelt wird, wobei der im Abhitzekessel gewonnene Dampf ganz oder teilweise zur Erzeugung der Strommenge genutzt wird, die zur Deckung der sogenannten Grundlast ausreicht, während die zur Deckung der sogenannten Spitzenlast benötigte Strommenge aus der Gesamtheit oder einer Teilmenge des verdichteten und entschwefelten Gases gewonnen wird und der .nicht zur Stromerzeugung benötigte Anteil dieeee Gases einer anderweitigen Verwertung zugeführt wird.
4098U/Ü64
19. 9. 1972 N 4529/11
2. Verfahren nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, dass die für das Verfahren benötigte Staubkohle durch Mahl-Trocknung von grobstückiger Kohle gewonnen wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht zur Stromerzeugung benötigte Anteil des verdichteten und entschwefelten Gases in Wasserstoff und/oder ein sogenanntes Ammoniak-Synthesegas umgewandelt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht zur Stromerzeugung benötigte Anteil des verdichteten und entschwefelten Gases in ein methanreiches Gas umgewandelt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Stromerzeugung herangezogene Anteil des im Abhitzekessel gewonnenen Dampfes zum Antrieb einer Turbine genutzt wird, die mit dem zur Deckung der Grundlast dienenden Stromerzeugungsaggregat gekoppelt ist.
409814/0648
19. 9. 1972 N 4529/Π
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Stromerzeugung herangezogene Anteil des verdichteten und entschwefelten Gases in eine Druckfeuerung eingeleitet wird und die dabei anfallenden etwa 1500 * C heissen Verbrennungsgase durch Zumischen von Druckluft auf etwa 820 * C gekühlt und das daraus resultierende Gemisch in einer Turbine entspannt wird, die mit dem zur Deckung der Spitzenlast dienenden Stromerzeugungeaggregat gekoppelt ist.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht zur Stromerzeugung herangezogene Anteil des im Abhitzekessel gewonnenen Dampfes in der nachgeschalteten Gas-Verarbeitungsstufe weiter verwendet wird.
4098U/0648
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