DE2329959A1

DE2329959A1 - Verfahren zur erzeugung von synthetischem erdgas durch vergasung von braunkohle, vorzugsweise rohbraunkohle

Info

Publication number: DE2329959A1
Application number: DE2329959A
Authority: DE
Inventors: Paul Chr Beckervordersandforth; Friedrich Dr Ing Franke; Rudolf Dr Phil Dr Huettner; Werner Prof Dr Ing Wenzel
Original assignee: Rheinische Braunkohlenwerke AG
Current assignee: Rheinbraun AG
Priority date: 1973-06-13
Filing date: 1973-06-13
Publication date: 1975-01-09
Also published as: JPS5036504A; CA1026097A; DD112143A1; AU6987874A

Description

DiPL-ING. HELMUT KOEPSELL 5 KÖLN 1 7. 6. 73=h.

PATENTANWALT Mittelstrasse 7

Telefon (02 21) 21 94 23 Telegrammadresse: Koepsellpatent Köln

Ri/374

Reg -Nr. bitte angeben

Patentanmeldung

der Firma

Rheinische Braunkohlenwerke AG., 5 Köln 1, Konrad-Adenauer-^Üfer 55 und des Herrn

Prof.Dr.-Ing. Werner Wenzel, 51 Aachen, Brüsseler Ring 99

Verfahren zur Erzeugung von synthetischem Erdgas durch Vergasung von Braunkohle, vorzugsweise Rohbraunkohle.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von synthetischem Erdgas durch Vergasung von Braunkohle, vorzugsweise Rohbraunkohle zur Erzeugung von künstlichem Erdgas (Methan).

Es ist damit zu rechnen, dass zukünftig der Bedarf an Erdgas aus den natürlichen erschlossenen Vorkommen nicht gedeckt werden kann. Damit stellt sich die Frage, ob es möglich ist, aus anderen verfügbaren Energiequellen ein dem Erdgas gleichwertiges Gas zu gewinnen. Als Ausgangsmaterial käme dafür Braunkohle, insbesondere Rohbraunkohle, in Frage, die in grossen Mengen kostengünstig gewonnen werden kann. Es sind auch bereits Verfahren zur Erzeugung von Methan aus Braunkohle bekannt, Sie weisen jedoch durchweg den Nachteil auf, dass sie wenig wirtschaftlich sind.

4098 82/0509

232995S

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angeführten Art so auszugestalten, dass das Produktgas auch in wirtschaftlicher Hinsicht mit dem natürlichen Erdgas konkurrieren kann. Die Erfindung geht dabei aus von der Überlegung, dass ein wesentlicher Anteil der Betriebskosten eines solchen Verfahrens durch den erforderlichen Wärmeaufwand bedingt ist. Insbesondere die sich hieraus ergebenden Kosten sollen reduziert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung die Anwendung folgender Verfahrensschritte vor:

a) Einstellung des Gehaltes an oxidierenden Bestandteilen in der Braunkohle derart, dass dieser bei der folgenden Vergasung die gewünschte Kohlenstoff-Umsetzung ergibt;

b) Vergasung der so eingestellten Braunkohle in einem vorzugsweise im Gleichstrom betriebenen aussen beheizten, liegenden oder leicht geneigten Röhrenofen mit mindestens zwei auf verschiedene Temperaturen einstellbaren und getrennt beheizbaren aufeinanderfolgenden Vergasungsbereichen mit eventueller Gewinnung eines Restkokses;

c) Konvertierung des in dem imRöhrenofen gewonnenen Gas befindlichen Kohlenmonoxids derart, dass sich in dem Konvertgas ein Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid wie etwa 3:1 einstellt, mit anschliessender Entfernung des Kohlendioaxids aus dem konvertierten Gas;

409882/0509

232995S - 3 -

d) Methanisierung des so gewonnenen konvertierten Gases unter Wärmegewinnung und Aufarbeitung zu dem gewünschten Erdgas und

e) Nutzung der bei der Methanisierung gewonnenen Wärme zur Ausseribeheizung des ersten Vergasungsbereiches des Röhrenofens.

Der besondere Vorteil des Verfahrens gemäss der Erfindung besteht darin, dass es die Nutzung der bei der Methanisierung entstehenden Wärme ermöglicht, obwohl letztere bei verhältnismässig niedrigen Temperaturen anfällt. Immerhin deckt die aus der Methanisierung stammende Wärme etwa 40$ des insgesamt für die Vergasung notwendigen Wärmebedarfs. Dabei kann der erste Vergasungsbereich bei einer Temperatur von etwa wjoj° G betrieben werden.

Es war bereits erwähnt worden, dass Rohbraunkohle besonders geeignet für die Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung ist. Die im Merkmal a) erwähnte Einstellung des Gehalts an oxidierenden Bestandteilen bedeutet dabei eine Einstellung des Wassergehaltes, da das in der Kohle von vornherein befindliche Wasser in an sich bekannter Weise als Vergasungsmittel benutzt werden kann.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2-6.

Im einzelnen kann das Verfahren gemäss der Erfindung so ablaufen, dass Rohbraunkohle, z. B. Rheinische Braunkohle mit etwa 60%

A09882/05Q9

232995S - 4 -

Wassergehalt, auf Körnungen von D - IO mm, insbesondere 0 - 6 mm vorgebrochen wird. Die so zerkleinerte Kohle wird beispielsweise in den Röhrenofen eingefördert, der aus Einzelrohren mit Innendurchmessern bis je über 10 cm Durchmesser, insbesondere 6 cm Durchmesser und Längen bis über 10 m bestehen kann. Die Kohle wird in den Innenraum der Rohre eingeschleust. Von aussen wird die Wärme zur Umsetzung der Kohle mit dem Eigenwasser und den entbindenden flüchtigen Bestandteilen durch die Rohrwandung zugeführt. Die Vergasung findet vorteilhaft bei Vergasungsdrücken bis über 80 bar statt.

Vorteilhaft erfolgt die Zuführung der für die Vergasung erforderlichen Energie durch mindestens zwei Energieträger bei unterschiedlichem Tempa?aturniveau, wobei in der Niedertemperaturstufe - bei einem Temperaturniveau im Innenraum der Rohre bis über 300° C - die in der nachgeschalteten, exotherm arbeitenden Methanisierungsstufe erzeugte Energie, die über einen eigenen Kühlkreislauf abgezogen wird, eingesdbzt wird. Im Hochtempeaturteil des Vergasers wird entweder nur Fremdenergie, die von aussen dem Prozess zugeführt wird (z. B. Wärme aus Zwischenkreislauf mit N₂, CO₂, H₂O oder He aus Hochtempratur-Kernreaktoren), oder die im Prozessablauf erzeugte mögliche Eigenwärme herangezogen. Unter der Nutzung der Eigenwärme wird hierbei beispielsweise die Unterfeuerung mit Produktgas aus dem Innenteil der Röhren (Verbrennung eines Produktgasanteiles mit Luft zur Unterfeuerung) oder die Nutzung des aus dem Vergaserteil

409882/0509

232995S

des Ofens austretenden Restkoks verstanden. Der Restkoks kann hierbei, z. B. nach Kohlenstoff-Umsetzungsgraden der Kohle bis über 75$ im Röhrenvergaser, aus der Restkoks-Produktgastrennung direkt mit Luft zu lauchgasen umgesetzt werden, die zur Beheizung der liegenden oder leicht geneigten Rohre dienen. Hierbei ist darauf Wert zu legen, dass die Temperaturen, mit denen die Rohrwandungen in Kontakt kommen, durch geeignete Verfahrensmassnahmen, wie Zumischung von kalten rückgeführten Verbrennungsgasen, auf etwa 1200 C abgesenkt werden, so dass Ascheanbackungen, die unter anderem zur Vergrösserung der Wärmedurchgangswerte führen, weitgehend vermieden werden. Desweiteren ist es möglich, den Restkoks zur Schwachgaserzeugung beispielsweise in angegliederten Prozessstufen, wie dem nahezu drucklosen Hochtemparatur-Winkler-Verfahren, einzusetzen; hierbei wird in der Nähe des ersten Wirbelpunktes bei Temperaturen um 1100° G mit vorgewärmter und unter Umständen mit 0« angereicherter Luft als Vergasungsmittel, ein Schwachgas zur direkten Unterfeuerung, d. h. zur Verbrennung mit Luft und direkter Beheizung der Rohre des Röhrenofen-Vergasers, hergestellt.

Desweiteren ist es vorteilhaft, die Kohlenstoff-Umsetzung im gasbeheizten Röhrenofen nur soweit zu treiben, wie es die Reaktionsfähigkeit des jeweils erzeugten Restkokses zulässt, d. h. es kann unwirtschaftlich sein, eine vollständige Vergasung dann vornehmen zu wollen, wenn die letzten Kohlenstoffumsetzungsgrade nur bei Reaktionszeiten möglich sind, die für den technischen Betrieb unrealisierbar erscheinen. Die Antrocknung wird soweit vorange-

409882/0509

-6- 232995S

trieben, dass in dem entstehenden Produktgas der. Überschusswasserdampfgehalt soweit heruntergedrückt wird, dass zwar die gewünschte Kohleumsetzung erfolgt, jedoch kein unnötiger Wasserdampf auf die Reaktionstemperaturen von etwa 800 bis über 1100° G gebracht wird. Der bei der nicht vollständigen Kohlenstoffumsetzung erzeugte Restkoks muss dann zwangsläufig zur vollständigen Umsetzung mit aggressiveren Vergasungsmitteln, z. B. Sauerstoff, und bei höheren Reaktionstemperaturen, beispielsweise um 1100° C, umgesetzt werden, um zu vertretbaren Reaktionszeiten zu gelangen. Es ist vorteilhaft, die so erzielten Produktgase aus dem Röhrenofen und der nachgeschalteten Restkoks-Vergasung zur Weiterverarbeitung, gegebenenfalls nach entsprechender Reinigung und Angleichung der unterschiedlichen Vergasungsdrücke, zu einem Gasstrom zu vereinigen, um sie der nachgeschalteten Konvertierung zuzuleiten.

Vorteilhaft ist es, den Vergasungsdruck im Röhrenofenvergaser dem Medium anzupassen, das die Energie zur Aussenbeheizung der Rohre liefert, d. h. beispielsweise bei Nutzung von Kernwärme den Vergasungsdruck an den Druck im Kernreaktor oder den Druck im nachgeschalteten Zwischenkreislauf derart anzupassen, dass das Druckgefälle, das die Rohrwandungen belastet, nicht über einen Differenzdruck bis über nc etwa 5 bar ansteigt. Als Temperaturniveau der Vergasung der Rohbraunkohle mit ihrem Eigenwasser werden Reaktionstemperaturen im Inneren der Reaktionsrohre von etwa 800 bis über 1100° C angestrebt, die zum einen ausreichen, eine genügend hohe Vergasungsleistung sicherzustellen und zum anderen die Rohrwand-

409882/0509

materialien nicht über Gebühr beanspruchen, um ausreichende Standzeiten der Rohrwandmaterialien zu gewährleisten.

Das den Röhrenofenvergaser verlassende Produktgas wird vorteilhaft, eventuell nach Entstaubung in noch heissen Zustand, einem Abhitzekessel zugeführt, in des das Gas bis auf Temperaturen unterhalb von 200° G abgekühlt wird. Das den Abhitzekessel verlassende Produktgas wird zur Feinstaubabscheidung einer Wasserwäsche zugeführt, die neben der Staubabscheidung die Aufgabe hat, durch Anwendung einer entsprechenden Temperatur den Wasserdampfgehalt einzustellen, der ausreichend ist, um in der nachfolgenden Konvertierung ein Gas zu erhalten, das ein Kohlenmonoxid : Wasserstoff-Verhältnis von 1:3 aufweist. Mit der Konvertierung sollen somit zugleich die geeigneten Voraussetzungen für die anschliessende Methanisierung geschaffen werden.

Das die Wasserwäsche verlassende und hinsichtlich seiner Zusammensetzung an die nachfolgende Konvertierung angepasste Produktgas wird nach geeigneter Kompression einem Gegenstrom-Wärmeaustauscher zugeführt, um das in seinem Wassergehalt eingestellte Produktgas von Temperaturen von etwa 180° G auf Temperaturen zu bringen, die ein Anspringen der Konvertierungsreaktion, z. B. etwa 320° C, zulassen. In dem indirekten Gegenstrom-Wärmeaustauscher wird vorteilhaft als Aufheijoaedium das die Konvertierung verlassende Gas genutzt, das beispielsweise von 380⁰C auf 210° G im Gegenstrom-Wärmeaustauscher abgekühlt wird. Nach der Abkühlung des die Konvertierung verlassenden Gases erfolgt zweckmässigerweise eine

409882/0509

Kompression des Gases.

Oesweiteren ist es vorteilhaft, die unter Umständen bei der Konvertierung auftretende Überschussenergie zur Antrocknung der Rohkohle zu nutzen, wobei die vorbeschriebene Wirkung erzielt wird, dass das Über^schusswasser nicht unnötig auf die Vergasungstemperaturen im Röhrenofen gebracht werden muss.

Das nach Abkühlung beispielsweise von 210° G auf etwa 140° C anfallende Produktgas aus der Konvertierung wird zweckmässigerweise in eine bekannte Kohlendioxid-Wäsche eingeleitet, die neben Kohlendioxid auch Anteile an Schwefelbegleitgasen (wie z. B. HgS und COS) entfernt, die im nachgeschalteten Methanisierungsprozess den eingesetzten Katalysator schädigen. Das beispielsweise aus einer heissbetriebenen Kohlendioxid-Wäsche austretende Produktgas wird zweckmässigerweise nach einer Kompressionsstufe einem Gegenstrom-Wärmeaustauscher zugeführt, der indirekt durch das die Methanisierung verlassende Gas beheizt wird. Das beispielsweise von 90⁰C nach der Kohlendioxid-Wäsche auf 400° C im Gegenstrom-Wärmeaustauscher aufgeheizte Gas wird der Methanisierungsstufe zugeführt und verlässt diese mit etwa 500° C, um im Gegenstrom-Wärmeaustauscher auf etwa 220° C abgekühlt zu werden. Die bei der Methanisierung entstehende Enegie wird, wie bereits erwähnt, durch einen gesonderten Kühlkreislauf an die Niedertemperaturstufe des RFöhrenofen-Vergasers übertragen, in dem die energieverbrauchende Wasserdampf-Entbindung und Vorschwelung der Kohle bis etwa 300° C

409882/0509

stattfindet.

Das den Gegenstrom-Wärmeaustauscher verlassende methanisierte Produktgas wird zur Lieferung der Energie zur Vortrocknung, der in den yRöhrenofen einzusetzenden Kohle, im oben beschriebenen Sinne genutzt. Das dadurch auf ein Temperaturniveau von etwa 140° C heruntergekühlte Produktgas wird nach seiner eventuellen Kompression, Trocknung und nochmaligen nachgeschalteten Kompression an das Leitungsnetz abgegeben, das das künstliche Exfeas (Methan) aufnimmt.

In der Zeichnung ist ein Blockschaltbild als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Die von etwa 60$ bis auf Wassergehalte von etwa 43$ angetrocknete und zerkleinerte Rohbraunkohle 1 wird in den Niedertemperaturbereich 2 eines Röhrenofen-Vergasers eingeleitet, der indirekt durch die im Methanerzeuger 15 anfallende und über den Wärmekreislauf 17 und 18 zugeführte Wärme beheizt wird. Bei einem Vergasungsdruck von etwa 40 bis über 80 bar werden Schwelkohle und Schwelgase aus den Niedertemperaturbereich 2 aufgrund der Druckverhältnisse in den Ijochtemperaturbereich 4 eingebracht, der in geeigneter Weise indirekt beheizt wird. Die Zu- und Ableitungen für das die Wärme zuführende Medium s ind mit 6a und 6b bezeichnet. Die Schwelgase bestehen zu etwa 96$ aus H₂O und einem Restanteil von überwiegend Kohlendioxid/Das den Hochtemperaturteil 4

409882/0509

232995S - ίο -

des Vergasers verlassende Produktgas 5 weist bei einer Druckfahrweise von ungefähr 40 bis 80 bar etwa 12$ CO₂, 25$ CO, 36$ H₂, 11$SH CH^, 16% Wasserdampf und Spuren an Stickstoff und sonstigen Bestandteilen auf. Das Gas wird nach seiner Entstaubung, Nutzung im Abhitzekessel und Wasserwäsche bei etwa 180° C mit etwa 1256 CO₂, 26# CO, 37$ H₂, ll^CH^, 13$ H₂O und sonstigen Restgasen in die Konvertierung 8 eingeleitet. Die dort anfallende Wärme wird durch geeignete Wärmeträger, die durch Leitungen 9 und 10 strömen, gegebenenfalls zur Antrocknung der Kohle genutzt. Das die Konvertierung durch die Leitung 11 verlassende Produktgas mit etwa 22$ CO₂, 16$ CO, 47$ H₂, 11$ CH,, 3$ H₃O und Restgehalten an sonstigen Gasen wird in die C0₂-Wäsche 12 eingeleitet, aus dem das Kohlendioxid und die Bestandteile an schwefligen Gaskomponenten 13 getrennt herausgeführt werden. Das abgekühlte und gereinigte Gas 14 wird nach der Wäsche 12 in den Methanerzeuger 15 eingeleitet. Dort werden mittlere Methanisierungstemperaturen um 450° C angestrebt und als Anspringtemperatur der Konvertierung etwa 320° zugrunde gelegt. Die bei der Methanisierung auftretende Überschussenergie wird über den Kreislauf 17, 18 dem Niedertemperaturteil 2 des Vergasers zugeführt. Das den Methanerzeuger verlassende, im wesentlichen aus Methan bestehende künstliche Erdgas wird nach Abkühlung im Gegenstromaustausch zu dem in den Methanerzeuger eintretendenPrischgas, eventuell nach Nutzung der dann noch verbleibenden fühlbaren Wärme zur Antrocknung der Kohle, in einer Gastrocknungsstufe vom Wasserdampf befreit und ggf. nach erfolgter Kompression in das Methanleitungsnetz eingegeben.

409882/0509

Claims

232995S - ii- Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung von synthetischem Erdgas durch Vergasung von Braunkohle, vorzugsweise von Rohbraunkohle, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Einstellung des Gehalts an oxidierenden Bestandteilen in der Braunkohle derart, dass dieser bei der folgenden Vergasung die gewünschte Kohlenstoff-Umsetzung ergibt;

b) Vergasung der so eingestellten Braunkohle in einem ausseribeheizten, liegenden oder leicht geneigten Röhrenofen mit mindestens zwei auf verschiedene Temperaturen einstellbaren und getrennt beheizbaren aufeinanderfolgenden Vergasungsbereichen mit eventueller Gewinnung eines Restkokses;

c) Konvertierung des in dem im Röhrenofen gewonnenen Gas befindlichen Kohlenmonoxids derart, dass sich in dem Konvertgas ein Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid von etwa 3:1 einstellt, mit anschliessender Entfernung des Kohlendioxids aus konvertierten Gas;

d) Methanisierung des so gewonnenen konvertierten Gases unter

r Wärmegewinnung und Aufarbeitung zu dem gewünschten Endgas;

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beheizung der dem ersten Vergasungsbereich nachgeschalteten, bei höheren Temperaturen arbeitenden Vergasungsbereiche des

409882/0509

_ ₁₂ _ 232995S

Röhrenofens Wärme aus Hochtemperatur-Atomreaktoren eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beheizung der dem ersten Vergasungsbereich nachgeschalteten, bei höheren Temperaturen arbeitenden Vergasungsbereiche des Röhrenofens durch Verbrennung eines Gasteilstromes aus dem Röhrenofen erhaltene Wärme genutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beheizung der dem ersten Vergasungsbereich nachgeschalteten, bei höheren Temperaturen arbeitenden Vergasungsbereiche Ruchgas, das durch Verbrennung des aus der Vergasung stammenden Restkokses gewonnen würde, genutzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-Umsetzung bis über 75$ beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anfallender Restkoks zur Erzeugung von Schwachgas eingesetzt wird, das gegebenenfalls dem den Röhrenofen verlassenden Gas zugemischt wird.

409882/0509

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampfgehalt für die Konvertierung (CO + HgO = COg + Hp) durch Anwendung einer entsprechenden Temperatur in der vorangehenden Wasserwäsche eingestellt wird.

409882/0509

L..Ä.II.