DE2503193A1 - Verfahren zur herstellung eines heizgases durch druckvergasung kohlenstoffhaltiger brennstoffe - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines heizgases durch druckvergasung kohlenstoffhaltiger brennstoffe

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DE2503193A1 DE19752503193 DE2503193A DE2503193A1 DE 2503193 A1 DE2503193 A1 DE 2503193A1 DE 19752503193 DE19752503193 DE 19752503193 DE 2503193 A DE2503193 A DE 2503193A DE 2503193 A1 DE2503193 A1 DE 2503193A1
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Description

LIKDE AKTIENGESELLSCHAFT
(H 841) H 75/04
Verfahren zur Herstellung eines Heizgases durch Druckvergasunp; von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen
■ Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
j eines Heizgases durch Druckvergasung von kohlenstoffhaltigen
:
Brennstoffen mit" Sauerstoff und Wasserdampf, wobei der Sauerstoff in einer Luftzerlegungsanlage und der Wasserdampf in einem gasbeheizten Dampfkessel erzeugt wird und die im Dampfkessel anfallenden Abgase anschließend in einer Expansionsturbine entspannt werden.
In üblichen Verfahren zur Druckvergasung wird neben dem Wasserdampf entweder Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft verwandt. Der Heizwert des bei der Vergasung entstehenden
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Heizgases steigt dabei mit dem Sauerstoffgehalt. Deswegen wird zur Erzeugung eines Heizgases mit hohem Heizwert der Luftsauer-, stoff mit Hilfe einer Luftzerlegungsanlage gewonnen. Zur Bereitstellung der für die Dampferzeugung benötigten Wärme wird entweder Kohle oder im vorliegenden Fall ein Teil dee Heizgases mit Luft verbrannt. Die danach anfallenden, noch unter Druck stehenden Abgase werden anschließend zum Zwecke der Rückgewinnung der in ihnen enthaltenen Komprimierungsenergie entspannt. Der Dampfkessel und die Luftzerlegungeanlage werden parallel und unabhängig voneinander betrieben.
In den Verfahren der geschilderten Art konnte bisher jedoch noch keine vollkommen befriedigende Energiebilanz erreicht werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Druckvergasung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe zu entwickeln, das hinsichtlich des Energieaufwandes und der Anlagekosten möglichst wirtschaftlich arbeitet.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß der bei der Luftzerlegung erzeugte Stickstoff den Abgasen vor deren Entspannung zugemischt wird.
Der mit niedriger Temperatur aus der Luftzerlegungeanlage abgezogene Stickstoff erwärmt sich bei der Zumischung beträchtlich, da die Temperatur der Abgase vor der Entspannung noch nahe der relativ hohen, im Dampfkessel herrschenden Tempe-
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ratur liegt. Der so erwärmte Stickstoff gibt bei der anschließenden Entspannung einen Energiebetrag ab, der größer ist als der bei der Entspannung des kalten Stickstoffs frei werdende Energiebetrag. Die Erwärmung des Stickstoffs durch Zumisohung ist gegenüber einer Wärmezufuhr in einem Wärmeaustauscher vorteilhaft, weil die dort auftretenden Druckverluste bei der Mischung vermieden werden. Weiterhin besteht aufgrund der Zumischung vor Eintritt der Abgase in die Expansionsturbine die Möglichkeit, die Abgastemperatur soweit zu senken, daß keine zu hohe thermische Belastung der Turbine auftritt.
Wenn die Abgastemperatur den für die Turbine maximal zulässigen Wert nicht übersteigt, so ist eine Zumisehung des kalten Stickstoffs vor der Entspannung der Abgase im Hinblick auf die thermische Belastung der Turbine nicht notwendig. Es kann sich dann als günstig erweisen, daß die Entspannung der Abgase in zwei Stufen vorgenommen und der Stickstoff den Abgasen zwischen den beiden Entspannungsstufen zugemischt wird. Dabei wird es in den meisten Fällen sinnvoll sein, daß die Abgase in der ersten Entspannungsstufe auf den Druck des Stickstoffs entspannt werden.
Weiterhin ist es zweckmäßig, daß die bei der Entspannung der Abgase und des Stickstoffs gewonnene mechanische Energie zur Komprimierung der im Verfahren benötigten Luft verwandt wird.
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Der im Vergasungsprozeß benötigte Dampf wird im Dampfkessel erzeugt. Zur Brennstoffversorgung des Dampfkessels ist zunächst die Möglichkeit vorgesehen, daß ein Teil des als Produkt gewonnenen Heizgases zur Beheizung des Dampfkessels abgezweigt wird. Andererseits kann es vorteilhaft sein, daß das zur Beheizung des Dampfkessels benötigte Gas in einem mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen beschickten und mit komprimierter Luft und Wasserdampf betriebenen Hilfsvergaser erzeugt wird. Da der Hilfsvergaser mit Luft anstatt mit Sauerstoff betrieben wird, erhöht sich die Menge an heißen Abgasen und damit die bei der Abgasentspannung zurückgewonnene Energie entsprechend.
Hinsichtlich eines rationellen Einsatzes der Kompressoren zur Luftverdichtung ist es zweckmäßig, daß der Hilfsvergaser auf dem oberen Druokniveau der Luftzerlegungsanlage betrieben wird.
Außerdem ergibt sich als vorteilhafte Möglichkeit zur Ausnutzung der im Hilfsvergaser freiwerdenden Reaktionswärme, daß die Entspannung der Abgase in zwei Stufen vorgenommen und der Stickstoff den Abgasen zwischen den beiden Entspannungsstufen zugemischt wird, wobei die Abgase nach der ersten Entspannung ^m Wärmeaustausch mit dem im Hilfsvergaser erzeugten Gas erwärmt werden.
Der besondere Vorteil der vorstehend beschriebenen Erfindung liegt in der sinnvollen Kombination der Luftzerlegung
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' mit der Dampf erzet^ung. Der dabei durch Erwärmung und Entspannung des Luftstickstoffes auftretende Energiegewinn im Vergleich zur herkömmlichen Verfahrensweise ist offensichtlich. Dazu kommt noch der günstige Einfluß der mit Luft betriebenen Hilfsvergasung auf die Energiebilanz, denn der in der für die Hilfsvergasung benötigten Luft enthaltene Stickstoff wird in den Abgasexpansionsturbinen genau wie der aus der Luftzerlegungsanlage stammende Stickstoff bei einer Temperatur entspannt, die weit höher liegt als die Temperatur, bei der die Luft komprimiert wird. Dies bedeutet einen doppelten Energiegewinn.
Der durch Zumischung des"aus der Luftzerlegungsanlage stammenden Stickstoffs zu den heißen Abgasen erzielbare Energiegewinn kann demnach noch dadurch erhöht werden, daß die Abgase in einem mit Luft anstelle von Sauerstoff betriebenen Hilfsvergaser erzeugt werden.
Im folgenden werden Beispiele für das erfindungsge-
■j mäße Verfahren anhand von schematischen Abbildungen näher er- ; läutert.
Abbildung 1 zeigt ein Verfahren ohne Hilfsvergaser mit einstufiger Entspannung der Abgase.
Abbildung 2 zeigt ein Verfahren mit Hilfsvergaser und einstufiger Entspannung der Abgase.
Abbildung 3 zeigt ein Verfahren mit Hilfsvergaser und
zweistufiger Entspannung der Abgase sowie indirektem Wärmeaus-
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' tausch zwischen dem im Hilfsvergaser erzeugten Gas und den Ab-
! gasen zwischen beiden Entspannungsstufen.
Die allen drei abgebildeten Verfahren gemeinsamen Elemente werden mit gleichen Nummern bezeichnet.
Dabei ist 1 ein Vergaser, 2 ein Hilfsvergaser, 3 eine Luftzerlegungsanlage und 4 ein Dampfkessel, 5, 6 und 7 bezeichnen Waschkühler, 8 einen Luftkompressor, 9 einen Sauerstoffkompressor und 10 einen weiteren Luftkompressor, 11, 12 und 13 sind Expansionsturbinen für die Abgase des Dampfkessels, 14 und 15 Expansionsturbinen für die bei der Vergasung erzeugten, für den Dampfkessel bestimmten Heizgase. 16 ist der zur Dampfkesselbeheizung dienende Brenner.
In dem Verfahren der Abbildung 1 tritt Luft bei 18 in den Luft kompressor 8 ein und wird dort beispielsweise auf ca. 7 bar verdichtet. Sie strömt durch Leitung 24 zum Punkt 25, wo ein Teil abgezweigt und durch Leitung 26 zum Brenner 16 des Dampfkessels 4 geführt wird. Der andere Teil gelangt durch Leitung
27 zu einem zweiten Luftkompressor 10, wird dort auf beispielsweise 17 bis 20 bar verdichtet·und strömt danach durch Leitung
28 zur Luftzerlegungsanlage 3· Der dort gewonnene Sauerstoff gelangt durch Leitung 29 in den Sauerstoffkompressor 9» wird dort von ca. 5 bis 6 bar auf den Druck des Vergasers 1 von ca. 25 bis 30 bar verdichtet, um darauf durch Ljeitung 30 dem Vergasungsprozeß zugeführt zu werden.
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Die zu vergasende Kohle wird bei 22 und der dazu benötigte Dampf durch Leitung 33 in den Vergaser eingeführt. Das bei der Vergasung erzeugte Heizgas besteht aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Es gelangt durch Leitung 31 in den Waschkühler 5» wo es vom Kohlendioxid befreit wird. Dabei kühlt es sich von beispielsweise ca. 600° C auf ca. 200° C ab, Das nunmehr vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehende Heizgas wird der Anlage bei 20 als Produktgas entnommen.
Ein Teil des Heizgases wird bei 32 abgezweigt, in der Expansionsturbine 14 auf ca. 6 bis 7 bar entspannt und im Brenner 16 des Dampfkessels 4 zusammen mit dem Sauerstoff der durch Leitung 26 herangeführten Luft verbrannt. Die dabei freiwerdende Verbrennungswärme wird im indirekten Wärmeaustausch an das bei 19 in den Dampfkessel eintretende Wasser übertragen, das durch Leitung 33 in Dampfform abgezogen und nach entsprechender Verdichtung dem Druckvergasungsprozeß zugeführt wird. Die bei der Verbrennung entstehenden, vorwiegend aus Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserdampf bestehenden Abgase, deren Temperatur beispielsweise ca. 820° C beträgt, werden durch Leitung 34 abgezogen und in der Expansionsturbine 11 auf Atmosphärendruck entspannt. Vor dieser Entspannung wird den Abgasen der bei der Luftzerlegung anfallende, durch Leitung 35 entnommene kalte Stickstoff beigemischt. Die bei der Entspannung dieses Oasgemisches freiwerdende Energie übersteigt den bei der Entspannung der beiden Einzelkomponenten freiwerdenden Betrag.
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Zweckmäßigerweise wird die bei den Entspannungsprozessen in den Expansionsturbinen 11 und 14 gewonnene Energie unmittelbar für die Kompression der im Verfahren verwendeten Luft bzw. des Sauerstoffs genutzt, wie in Abbildung 1 durch Kopplung der Turbinen 11 bzw. 14 mit den Kompressoren 8 und 9 bzw. 10 dargestellt.
In dem Verfahren gemäß Abbildung 2 wird neben dem Vergaser 1 ein mit Luft betriebener Hilfsvergaser 2 verwendet, in dem die für die Beheizung des Dampfkessels 4 benötigten Brenngase erzeugt werden. Die dem Hilfsvergaser und der Luftzerlegungs· anlage zuzuführende Luft wird in den Kompressoren 8 und 10 in zwei Stufen auf einen Druck von beispielsweise ca. 20 bar verdichtet. Nach der ersten Kompression wird bei einem Druck von ca. 7 bar die Verbrennungsluft für den Brenner 16 des Dampfkessels 4 abgezweigt. Die aus dem Hilfsvergaser austretenden Heizgase werden nach Reinigung und Abkühlung im Waschkühler 7 sowie Entspannung in der Expansionsturbine 15 im Brenner 16 des Dampfkessels 4 mit Luft verbrannt. Die Abgase dieser Verbrennung werden nach Beimischung des kalten Stickstoffs aus der Luftzerlegungsanlage in der Expansionsturbine 11 auf Atmosphärendruck entspannt. Der im Dampfkessel erzeugte Dampf wird nach Verdich-' tung auf den entsprechenden Druck dem Vergaser 1 und dem H,ilfsvergaser 2 zugeführt. Der Vergaser 1 wird mit dem in der Luftzerlegungsanlage 5 gewonnenen Sauerstoff betrieben.
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j Das Verfahren der Abbildung 3 unterscheidet sich von
dem der Abbildung 2 durch die Zweistufigkeit der Abgasentspannung in den Expansionsturbinen 12 und 13 sowie den Wärmeaustausch im Wärmeaustauscher 17 zwischen dem im Hilfsvergaser 2 erzeugten Heizgas und dem Abgas nach der ersten Entspannung. Der Wärmeaustausch bringt den Vorteil mit sich, daß ein Teil der im Hilfsvergaser freiwerdenden Reaktionswärme nicht im Waschkühler verlorengeht. Er dient vielmehr zur Wiedererwärmung der Abgase nach der ersten Entspannung, so daß bei der zweiten Entspannung mehr Energie gewonnen werden kann.
Im Verfahren der Abbildung 3 werden zur Erzeugung von 292 000 NnrVh Heizgas mit" einem Heizwert von ca. 10 BTU 2 600 000 Nnr/h Luft benötigt. Davon werden 1 000 000 NnP der Luftzerlegungsanlage zugeführt, in der I60 000 Ntir Sauerstoff und 840 000 Nnr^ Stickstoff gewonnen werden. Der Sauerstoff wird dem Vergaser zugeführt, die restlichen 1 600 000 NrP Luft werden auf den Hilfsvergaser und den Brenner des Dampfkessels verteilt. Im Dampfkessel werden 58Ο t/h Hochdruckdampf erzeugt, davon 80 t für den Hilfsvergaser und 500 t für den Vergaser. Die Abwärme des Vergasers dient zur Erzeugung»von 600 t/h Hochdruckdampf Ij (in den Abbildungen nicht dargestellt), die zusammen mit den Ii 500 t aus dem Dampfkessel in den Vergaser eingespeist werden. Im
Μ Brenner des Dampfkessels entstehen aus dem im Hilfsvergaser erzeugten, von Kohlendioxid gereinigten Heizgas und der zugeführten Luft 1 900 000 Nnr/h Abgas, die zusammen mit den 840 000 Stickstoff entspannt werden.
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Claims (8)

UND5 AKTiENGESELLSCHAFT (H 8U) , -ircr- H 75/04 40 27.1.1975 Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Heizgases durch Druckvergasung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff und Wasserdampf, wobei der Sauerstoff in einer Luftzerlegungsanlage und der Wasserdampf in einem gasbeheizten Dampfkessel erzeugt wird und die im Dampfkessel anfallenden Abgase anschließend in einer Expansionsturbine entspannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der Luftzerlegung erzeugte Stickstoff den Abgasen vor deren Entspannung zugemisoht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung der Abgase in zwei Stufen vorgenommen und der Stickstoff den Abgasen zwischen den beiden Entspannungsstufen zugemischt wird.
3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase in der ersten Entspannungsstufe auf den Druck des Stickstoffs entspannt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Entspannung der Abgase und des Stickstoffs gewonnene mechanische Energie zur Komprimierung der im Verfahren benötigten Luft verwandt wird.
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-Hf-
5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des als Produkt gewonnenen Heizgases zur Beheizung des Dampfkessels abgezweigt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Beheizung des Dampfkessels benötigte Gas in einem mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen beschickten und mit komprimierter Luft und Wasserdampf betriebenen Hilfsvergaser erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsvergaser auf dem oberen Druckniveau der Luftzerlegungsanlage betrieben wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung der Abgase in zwei Stufen vorgenommen und der Stickstoff den Abgasen zwischen den beiden Entspannungsstufen zugemischt wird, wobei die Abgase nach der ersten Entspannung im Wärmeaustausch mit dem im Hilfsvergaser erzeugten Gas erwärmt werden.
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