DE2400772C3 - - Google Patents

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DE2400772C3
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Ernst Dr.-Ing. 5270 Gummersbach Schuster
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Description

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Endprodukt, ζ. Β. Rauchgas eines Dampferzeugers zu ermöglichen. Als ganz besonderer Nachteil ist die Tatsache anzusehen, daß bei der bekannten Vergasungsmethode nur nicht- oder schwachbackende Kohle verwendet werden kann, womit zwangsläufig nur eine geringe Bandbreite des gesamten Kohlebandes verwertbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur Herstellung von festen und gasförmigen, schwefelarmen Produkten aus Kohle für die kombinierte Strom und Gaserzeugung anzugeben, die unter Wärmeeinwirkung schwefelarme feste und gasförmige Produkte erzeugt, und wobei die Anlagenteile so einander zugeordnet sind, daß die gewonnenen festen und gasförmigen Produkte in unterschiedlicher Menge einzeln oder z. T. gemeinsam verschiedenen Verwertungsbereichen zugeführt werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung eine Anlage vorgeschlagen, wie sie im Anspruch beschrieben ist.
Die Vorteile, die mit der Erfindung erreicht werden, sind die folgenden:
Zur Entschwefelung der Kohle braucht nicht der gesamte Brennstoff in Gasform überführt zu werden, da der in der Kohle enthaltene Schwefel bei der Entgasung /um überwiegende. , Teil an das erzeugte Gas übergeht und nur diese Gasmenge zu entschwefeln ist. Damit werden weniger aufwendige Entschwefelungianlagenteile erforderlich als bei der vollständigen Vergasung der Kohle.
An die Einsatz-Kohle brauchen keine besonderen Anforderungen, z. B. geringe Backfähigkeit, bestimmte Gehalte an flüchtigen Bestandteilen usw., gestellt zu werden. Es läßt sich jede Stein- und Braunkohle einsetzen.
Das je nach Beaufschlagung der Entgasiings- bzw. Vergasungseinrichtung gewonnene, z. T. heizwertreiche Gas kann zum Einsatz in einer der Dampfkraftanlage vorgeschalteten Gasturbinenanlage verwendet werden, wodurch die thermodynamischen Vorteile des gekoppelten Gas- Dampfkraftwerks entstehen, was zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad führt, als er bei konventionellen Kohlekraftwerken erzielbar ist, und was außerdem die Investitionskosten senkt.
Das erzeugte Gas kann als Industriegas, z. B. Synthesegas für die chemische Industrie oder zur Erzreduktion eingesetzt werden. Es kann aber auch zu einem Teil der allgemeinen Gasversorgung zugeführt werden.
Der beim Entgasen entstehende feste Koksstaub bindet in dieser Form sämtliche mit der Kohle eingebrachte Asche, die aus der Brennkammer des Dampferzeugers als granulierte Schlacke abgezogen wird.
Das Dampfkraftwerk kann, entkoppelt von der Gaserzeugung, der Entschwefelung und dem Gasturbincnprozeß als herkömmliches Kraftwerk betrieben werden. Ein Ausfall von hintereinandcrgeschalteten Einrichtungen verringert somit nicht die Einsatzbereitschaft der Stromerzeugungsanlage, die notfalls auch mit ho unbehandelter Kohle zu betreiben ist.
Auch können Gaserzeuger und Entschwefelungsanlage später als das Dampf-Kraftwerk gebaut und letzteres in der ersten Zeit nur mit einer schwefelarmen Kohle betrieben werden. <ö
Gasturbinen- und die Dampfkraftanlage sind ebenfalls voneinander /u entkoppeln. Für den Fall des Stillstandes der Gasturbine wie auch für den Fall einer nicht möglichen Abgabe des erzeugten Gases als Industriegas oder an das öffentliche Netz kann dieses Gas dem Dampferzeuger zur Verbrennung und damit der Stromerzeugung zugeführt werden. Der Vorteil der Entschwefelung der Kohle bleibt dabei bestehen.
Die Erfindung erlaubt auch die Einkoppelung von Wärme aus Hochtemperaturkernreaktoren für die Kohle-Behandlungs- bzw. Entgasungs- bzw. Vergasungseinrichtungen.
Mit der erfindungsgemäßen Anlage können jederzeit unterschiedliche Mengen gasförmiger und fester Produkte erzeugt und an den jeweiligen Strom- bzw. Gasbedarf angepaßt werden, wobei kurzfristig ein gasseitiger Spitzenbedarf ohne Gasspeicherung gedeckt werden kann. Da die erfindungsgemäße Anlage zuv Stromerzeugung aus Kohle mit gleichzeitiger Entschwefelung eine Entgasungseinrichtung und gegebenenfalls eine Gaserzeugungsanlage aufweist, erzeugt sie in der H2S-Wäsche gereinigtes Industriegas, Ferngas oder Gas für die Kohlenwertstoff-Gewinnung, z. B. Benzol. Sollten Industriegase oder Ferngas in größerem Umfange als bisher benötigt werden, so könnte ohne weiteres Wärme aus Hochtemperaturkernreaktoren für die genannten Behandlungsanlagen eingesetzt und damit die Wirtschaftlichkeit der gesamten Anlage wegen der billigeren Wärme aus Hochtemperaturkernreaktoren verbessert werden.
Zusätzlich kann ein Teil des bei der Entgasung erzeugten Koksstaubes mit Wasserdampf durch Teilverbrennung desselben oder besser durch Wärmezufuhr von außen, z. B. Wärme aus Kernenergie, vergast werden.
Anhand der in den Figuren dargestellten Zeichnungen ist ein erfindungsgemäßes Anlagenbeispiel beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 in schematischer Darstellung den Brennstoff- und Energiefluß,
Fig. 2 in schematischer Darstellung die Verbindung der einzelnen Anlagenteile und den Verfahrensablauf.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist für die Brennstoffumwandlung zu Koksstaub und Gas wie auch für das Kohlekraftwerk eine gemeinsame Kohle-Brennstoffversorgungseinrichtung vorgesehen. Diese kann für den Fall, daß die Erzeugungsanlage für Koksstaub und Gas nicht in Betrieb ist — wie eine Verbindungslinie andeutet — das Kohlekraftwerk mit Kohle versorgen und damit die Stromerzeugung ermöglichen. Die Kohle-Brennstoffversorgungsanlage versorgt jedoch im Normalbetrieb die Gaserzeugungsanlage. Das erzeugte Gas wird in der Entschwefelungsanlage gereinigt. Der in der Gaserzeugungsanlage nicht umgesetzte Kohlenstoff wird als Koks dem Kohlekraftwerk zugeführt und dort für die Stromerzeugung verbrannt. Das Gas wird nach seiner Entschwefelung der Gasturbinenanlage oder anderen Verbrauchern zugeführt. Es verläßt die Gasturbine mit hohem Luftüberschuß im Temperaturbereich um 400cC und geht als Verbrennungsluft zum Kohlekraftwerk. Der z. B. später einzusetzende Hochtemperaturkernreaktor gibt Dampf hoher Temperatur an die Gaserzeugungsanlage ab, vermag aber auch gleichzeitig Wärme und Dampf für weitere Verfahren zur Umwandlung des erzeugten Gases in Industriegase bel'ebigcr anderer Beschaffenheit bereitzustellen. Da in diesem Fall gereinigtes Gas, Wasserdampf und Wärme für die Prozeßführung erforderlich sind, wird aus dem Hochtemperaturkernreaktor entweder nur Wasserdampf oder aus dessen Helium Wärme in Gas-Wärmetauschern entnommen. Aus der Gesamtanlape tritt fin
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F i g. 1 nach rechts) elektrische Energie aus, die im Hochtemperaturreaktor, in der Gasturbinenanlage und im Kohlekraftwerk gewonnen wird. Aus der Gesatntanlage (in F i g. 1 nach oben) treten außerdem Industriegas und Gas für die allgemeine Versorgung sowie sonstige aus dem Gas gewonnene Wertstoffe aus. Weiter tritt aus der Gesamtanlage (in Fig. I, unten) granulierte Schlacke aus dem Dampfkraftwerk sowie Schwefel aus der Entschwefclungsanlage aus, dazu noch die Abwärme aus HTG-Reaktor und Kohlekraftwerk. In die Gesamtanlage tritt die Primärenergie (in Fig. I, links) in Form von Steinkohle bzw. Braunkohle und Kernbrennstoff ein. Hinzu kommen als Primärstoffe noch Wasser und Luft.
F i g. 2 erläutert die Anlage in weiteren Details.
Die Kohle 1 wird in einen Kohlenbunker 2 abgekippt und über Zuteiler 3 den Kohlemühlen 4 zugeteilt. Der Kohlenstaub wird durch Rauchgas, das dem Dampferzeuger des Kohlekraftwerks entnommen wird, aus den Mühlen ausgetragen. Dieses Rauchgas enthält nur ζο geringe Mengen Sauerstoff und hat somit den Charakter eines Inertgases. Die in der Kohle enthaltene Feuchtigkeit wird durch das Rauchgas verdampft und in einem Briidenabscheider 5 mit dem Inertgas bei 7 ausgetragen. Der Kohlenstaub wird danach einem Schnelloxidator 8 und danach mindestens einer Reaktionskammer 12 zur Entgasung und/oder Vergasung zugegeben.
Dem Schnelloxidator 8 wird über das Gebläse 33 geförderte und im Dampferzeuger des Kraftwerks in einem Lufterhitzer 31 hocherhitzte Luft über die Leitung 9 zur Voroxidation des Kohlenstaubes zugeführt. Der Lufterhitzer 31 kann selbstverständlich auch außerhalb des Dampferzeugers liegen und/oder mit anderen Wärmeträgern als Kesselrauchgas, z. B. mit dem Gas aus der Gaserzeugungsanlage beaufschlagt werden.
Nach dem Voroxidator 8 wird das Kohlenstaub-Trägergasgemisch in einem Luft-Kohletrenner 10 von der Luft getrennt. Diese Luft wird über die Leitung 11 der Brennkammer des Dampferzeugers 29 zugeführt. Da der mit ihr mitgeführte Kohlenstaub in der Brennkammer für die Stromerzeugung verbrannt wird, also nicht verloren geht, ist die Höhe des Abscheidewirkungsgrades des Luft-Kohletrenners 10 von nicht allzu großer Bedeutung.
Die von der Luft getrennte Kohle wird danach der oder den Reaktionskammern 12 zugeführt. Hier wird die Entgasung bzw. Teilvergasung des Brennstoffes durchgeführt. An dieser Stelle kann Wasserdampf in das Kohlenstaub-Trägergasgemisch eingeblasen werden, wenn die Gasausbeute erhöht werden soll, d. h. ein Teil des Kohlenstoffs zusätzlich vergast werden soll. Dieser Wasserdampf kann einem Hochtemperaturkernreaktor entstammen. An dieser Stelle kann bei indirekter Beheizung jedoch auch Wärme aus dem Helium des Hochtemperaturkernreaktors gesetzt werden. In der Fig.2 ist die Wärmezufuhr durch einen Gasstrom dargestellt, der über das Gebläse 28 und den Gaserhitzer 30 im Dampferzeuger des Kohlekraftwerks und die Leitung 27 einen Teil der erforderlichen Wärme der oder den Reaktionskammern 12 zuführt Der Gaserhitzer 30 kann selbstverständlich auch außerhalb des Dampferzeugers liegen und/oder mit anderen Wärmeträgern als Kesselrauchgas, z. B. mit dem Gas aus der Gaserzeugungsanlage, beaufschlagt werden.
Im Gas- und Kokstrcnner 13 wird das erzeugte Gas vom Koksstaub gclrennt.
Der Koksslaub wird über einen Zwischcnbunkcr 14 durch ein pneumatisches System der Feuerung des Dampferzeugers zugeführt, wobei als Trägergas Inertgas, z. B. Rauchgas, cingesct/t wird. Hin Teil des Koksstaubes kann aber auch einem Vergaser 49 zur Erzeugung von Synthesegas zugeführt werden. Das Trägergas für den Transport zum Dampferzeuger 29 wird hinter dem Elektrofilter 35 entnommen und über das Gebläse 37 und über die Leitung 16 der pneumatischen Förderung zugegeben.
Die Güte der Gas-Koksirennung in 13 ist maßgebend für die Belastung der Teer- und Staubabscheidung bei 19. Das heiße Gas gibt im Abhitzcdamplerzeuger 18 und im Abhitzewärmetauscher 20 seine Wärme z. B. an das Kohle-Dampfkraftwerk 43 oder in entsprechenden Wärmetauschern an die Träger- und Vergasungsmedien der Gaserzeugungsanlage ab. Dazwischcngeschallet ist die Teer- und Staubabscheidung bei 19, die in einem für die Teerabscheidung günstigen Temperaturbereich liegt. Über die Leitung 39 wird der abgeschiedene Teer und Reslkoks ebenfalls dem Dampferzeuger 29 zugeführt, falls er nicht andere Verwendung findet.
Das gereinigte und abgekühlte Gas wird über den Gaskompressor 21 der H2S-Wäsche 22 zugeführt. Hier wird der Schwefelwasserstoff aus dem Gas abgeschieden und der Claus-Anlage 23. der Schwefelgranulierung 24 und schließlich dem Schwefclbunkei 25 zugeführt.
Das gereinigte und schwefelfreie Gas wird über den Verteiler 50 der Brennkammer 45 der Gasturbine 46 und/oder dem Dampferzeuger 29 gegebenenfalls über die Anlage 26 zur Kohlenwertsioffgewinnung. Methanisierung oder Konvertierung dem Gasnetz 48 als Synthesegas oder Methan etc. zugeführt, wobei zur Konvertierung Wasserdampf und Wärme aus einem Hochtemperaturkernreaktor benutzt werden kann.
Da bei einer bestimmten Leistung des Kohlekraftwerkes, z. B. 690 MW und einer zugeordneten Leistung des Gasturbinenprozesses von z. B. 110 MW. abhängig von der eingesetzten Kohlensorte, gegebenfalls mehr Gas erzeugt wird, kann dieses Gas, falls es nicht nach außen abgegeben werden kann, entweder einer weiteren Gasturbine, deren Abwärme möglichst ebenfalls zur Dampferzeugung (Fernwärme usw.) zu nutzen ist, eingesetzt oder aber ebenfalls dem Dampferzeuger 29 zur Verbrennung zugeführt werden. In der vorgeschalteten Gasturbine, die aus dem Luftkompressor 44, der Gasturbinenbrennkammer 45 und der Gasturbine 46 besteht, wird schließlich ein Teil des Gases verbrannt. Da. abhängig von der maximal zulässigen Gaseintrittstsmperatur in die Gasturbinen, diese Verbrennung mit einem hohen Luftüberschuß erfolgen muß, wird das aus der Gasturbine mit etwa 4000C und einem hohen Restluftüberschuß austretende Abgas als Verbren nungsluft im Dampferzeuger 29 eingesetzt. Die im Elektrofilter 35 des Dampferzeugers 29 abgeschiedene Flugasche wird über die Leitung 38 dem Dampferzeuger wieder zugeführt und in dessen Schmelzkammer eingeschmolzen und danach — wie üblich — in granulierter Form abgezogen. Über den Bunker 41 kann bei 42 das Granulat der Kohleasche mit dem granulierten Schwefel gemeinsam abgeführt werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. 24 OO 772
    Patentanspruch:
    Anlage zur Herstellung von festen und gasförmigen schwefelarmen Produkten aus Kohle für die kombinierte Strom- und Gaserzeugung, wobei die Anlage aas Einrichtungen zur Zerkleinerung, Voroxidation. Entgasung und Teilvergasung der Einsatzkohle besteht, an die weitere Einrichtungen zur Verwertung des Kokses wie Vergaser und vorzugsweise Dampferzeuger eines Kraftwerkes sowie Bchandlungseinrichtungen für die erzeugten Brenn- und Synthesegase sowie Gase hohen Heizwertes gekoppelt sind, gekennzeichnet durch eine an ein pneumatisches, mit Rauchgas des Dampferzeugers (29) betriebenes Fördersystems angeschlossene Zerkleinerungseinrichtung (4), der ein ochnellox'dator(8) mit einem nachgeschalteten Luft-Kohle-Trenner (10) folgt, woran sich eine oder mehrere, an einen Wärme- bzw. Dampferzeuger (29) gekoppelte, mittels Trägergas betriebene Reaktionskammern (12) zur Entgasung und gegebenenfalls Vergasung anschließen, denen ein Gas-Koks-Trenner (13) folgt, hinter dem sich koksseitig ein Zwischenbunker (14) mit einem weiteren, pneumatisch mit Inertgas, vorzugsweise Rauchgas, betriebenen Fördersystem (47,37, 16) zu den Brennkammern des Dampferzeugers (29) bzw. zum Synthesegaserzeuger (49), und gasscitig ein Abhitzedampferzeuger (18) und ein Abhitzewärmetauscher (20) sowie ein dazwischengeschalteter Gasreiniger (19) mit nachfolgender HjS-Wäsche (22) befinden, der sich für die schwefelhaltigen Verbindungen die Schwefelgewinnungsanlage (23) anschließt, während für das gereinigte, schwefelfreie Gas ein Gasverteiler (50) zum Anschluß an die Gasturbinenanlage (46) und/oder an den Dampferzeuger (29) bzw. an das Gasnetz (48) vorgesehen ist, dem eine Kohlenwertstoffgewinnungs- bzw. Methanisierungs- oder Konvertierungsanlage vorgeschaltet ist.
    Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Herstellung von festen und gasförmigen schwefelarmen Produkten aus Kohle für die kombinierte Strom- und Gaserzeugung, wobei die Anlage aus Einrichtungen zur Zerkleinerung, Voroxidation, Entgasung und Teilvergasung der Einsatzkohle besteht, an die weitere Einrichtungen zur Verwertung des Kokses wie Vergaser und vorzugsweise Dampferzeuger eines Kraftwerkes sowie Behandlungseinrichtungen für die erzeugten Brenn- und Synthesegase sowie Gase hohen Heizwertes gekoppelt sind.
    Vorschläge zur kombinierten Gas- und Stromerzeugung aus Kohle sind schon seit langem bekannt. Danach sollte die in den Dampferzeugern von Kraftwerken eingesetzte Kohle vor ihrer Verbrennung in Retortenkammern etc. entgast, das dabei gewonnene Gas der Gasversorgung zur Verfügung gestellt und der erzeugte stückige Koks anstelle von stückiger Kohle im Dampferzeuger verbrannt werden. Zur Verminderung der Backfähigkeit der Kohle war vorgeschlagen worden, die Kohle einer leichten Erwärmung in Anwesenheit von Luft auszusetzen, um sie so vorzuoxidieren. Es wird auch erwähnt, den stückigen Koks aus der Entgasung /ur zusätzlichen Gewinnung von Wassergas zu vergasen sowie Gas in Gasmaschinen einzusetzen (CiWI". |ahrg. 89. 1948. S. 193-199; CiWl . |ahrg. 90. 1949. S. 21b 237 u. 403-410).
    Ein Nachteil dieses Vorschlages ist zunächst die Entgasung stückiger Kohle. Siückiger Koks muli auf Rosten verbrannt werden, wobei diese Roste jedoch nur Dampferzeuger geringer Leistung zulassen. Auch tier spätere Vorschlag, den stückigen Koks zu mahlen und als Koksstaub zu verbrennen, scheiterte an dem Verschleiß der Mahleinrichtungen. Weiterhin ist ein
    ίο wesentlicher Nachteil des Vorschlages der Zeitbedarf der Entgasung, etwa 20-24 Std, ebenso die über Wochen und Monate dauernde Voroxidation bei der damals mit 500C vorgesehenen Behandlungstemperatur. Selbst die Voroxidation von Kohlenstaub bei dieser Temperatur würde Zeiten von mehreren Stunden erfordern. Wirtschaftlich einsetzbar würde der Gedanke der kombinierten Gas- und Stromerzeugung erst mit einem Anlpgensystem nach der vorliegenden Erfindung, bei der der Zeitbedarf von Voroxidation, Entgasung und Teilvergasung dem Zeitbet'arf der Staubverbrennung angepaßt ist. Die Kohle wird als Kohlenstaub voroxidiert, entgast und teilvergast. Eine gezielte Teilvergasung wird in den einzelnen Vorschlägen überhaupt nicht erwähnt. Schließlich war auch die Kopplung des Dampfturbinen- und Gasturbinenpro/esses damals nicht möglich, da Gasturbinen zu dieser Zeit noch nicht vorhanden waren. Auch eine Entkopplung des Dampferzeugerteils vom Gaserzeugerteil wäre nach den alten Vorschlägen nicht möglich gewesen.
    Es ist ferner bekannt, nicht- oder nur schwachbackende Kohle unter Druck in einer Kammer zu vergasen, wobei Gase mit niedrigem Heizwert erzeugt werden (im Mittel unter 2500 Kcal/m>„). Diese Gase werden als Brenngas in einem nachgcschalteten Dampferzeuger und/oder einer Gasturbine verbrannt oder nach Umwandlung mit Ausscheidung bestimmter Gasbestandteile zu Synthesegas aufbereitet oder durch Abtrennung des Methananteils zu Gas mit erdgasähnlicher Qualität aufgewertet. Es ist bekannt, daß zur Vergasung Wärme zugeführt werden muß. Diese Wärme wird bei der bekannten Anlage durch Teilverbrennung der zu vergasenden Kohle mit Luft gedeckt. Infolge des hohen Stickstoffanteüs der Luft führt aber die Teilverbrennung der Kohle zu einer starken Reduzierung des Heizwertes des Vergasungsgases (BW K 23,1971, S. 258-262).
    Um diesen entscheidenden Nachteil m verhindern, ist es ferner bekannt, anstelle von Luft als Vergasungsmittel Wasserdampf zu benutzen. Hierbei ist es jedoch erforderlich, die Vergasungswärme von außen zuzuführen. Bei dieser Kohle-Vergasungsmethode (Wassergas) werden für das erzeugte Gas untere Heizwerte in der Größenordnung von 2500 bis 3000 Kcal/m1,, erreicht. Nachteilig bei dieser Methode ist, daß der relativ große Wärmebedarf von außen gedeckt werden muß, was bei den im allgemeinen kleinen Druckvergasungseinrichtungen auf Schwierigkeiten stößt. Es ist auch bekannt, für den Vergasungswärmebedarf die Wärme aus Hochtemperaturreaktoren heranzuziehen.
    Bei der bekannten Anlage zur Erzeugung von Gas oder Kohle und Verwertung des Gases zur Stromerzeugung und Gasversorgung sind die einzelnen Anlagenteile hintereinandergeschaltet und nicht entkoppelbar, so daß bei Ausfall der Gaserzeugungsanlage auch die
    h<> Stromerzeugung und die Gasversorgung ausfallen. Ein weiterer entscheidender Nachteil ist darin zu sehen, daß die gesamte erzeugte Gasmenge entschwefelt werden muß, um eine Verwertung zu einem umweltfreundlichen
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