DE2553506C2 - Vorrichtung zur Herstellung von Methan oder Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Stoffen mit Hilfe eines Kernreaktors - Google Patents

Vorrichtung zur Herstellung von Methan oder Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Stoffen mit Hilfe eines Kernreaktors

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Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Methan oder Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Stoffen mit Hilfe eines Kernreaktors, wobei ein Teil des Kohlenstoffs zunächst hydrierend vergast und der Rest-Kohlenstoff unter Zugabe von Wasserdampf zu Synthesegas umgewandelt wird. Dieses Synthesegas besieht im wesentlichen aus H2, CO, CO2, und CH4 und kann in einer sogenannten Methanisierung mittels eines Nickelkatalysators in Methan umgewandelt werden.
In dem Aufsatz: »Vergasung von Kohle mit Kernreaktor-Wärme« (Deutsche Zeitschrift Chemie-Ingenieur-Technik 1974/Nr. 22) wird auf Seite 938, insbesondere in Abbildung 1 sowie auf Seite 941, insbesondere Abbildung 2 je ein Prozeßschema beschrieben zur Herstellung von Methan über die Wasserdampf-Vergasung von Kohle. Im gleichen Aufsatz auf Seite 937 werden neue Verfahren einer hydrierenden Vergasung von Kohle zu Methan erwähnt. Bei der hydrierenden Vergasung wird ein Teilstrom des erzeugten Methans unter Zugabe von Wasserdampf und bei hohen Temperaturen zu Wasserstoff gespalten, mit dem die Kohle anschließend beispielsweise in einem Wirbelschichtvergaser zu Methan umgewandelt wird. Diesem Vergaser selbst braucht keine Wärme zugeführt zu werden, da dieser stark exotherme Vorgang die zur Rohstoffaufheizung notwendige Wärme und die Abstrahlungsverluste deckt. Bei der Wasserdampfvergasung wird Kohle unter Zugabe von Wasserdampf in Synthesegas umgewandelt. Für diese überwiegend endotherme Reaktion muß dem Vergaser eine erhebliche Wärmemenge und zwar bei hohen Temperaturen zugeführt werden. Während die Wasserdampfvergasung grundsätzlich sowohl für Braun- als auch für Steinkohle geeignet ist, ist die hydrierende Vergasung zunächst nur für Braunkohle geeignet, da die Steinkohle einen erheblichen Anteil an leichtflüchtigen Bestandteilen enthält, der entfernt werden muß. Beide Verfahren sind aber mit je einem erheblichen Nachteil behaftet Bei der hydrierenden Vergasung ist wegen der großen Verweilzeiten der Kohle und mit Rücksicht auf die begrenzten Abmessungen des Vergasers keine vollkommene Umsetzung der Kohle erreichbar. Der bei der hydrierenden Vergasung abfallende Restkoks enthält außer der Asche noch ca. 20 bis 30% des eingesetzten Kohlenstoffs. Bei der Wasserdampfvergasung dagegen kann man zwar den eingesetzten Kohlenstoff nahezu restlos vergasen. Da dieser Prozeß aber nur bei hohen Temperaturen abläuft (Steinkohle 7900C, Braunkohle 630 bis 66O0C) ist nur der obere Temperaturbereich der im Reaktor freiwerdenden Wärme für die Vergasung auszunutzen. Die restliche Wärme kann bei einem reinen Wasserdampfvergaser-Prozeß nur noch zur Dampferzeugung benutzt werden, wobei nur ein kleiner Teil dieses Dampfes im Prozeß verwendet werden kann.
In der deutschen Offenlegungsschrift 23 58 372 wird ein Verfahren zur Nutzung der Wärmeenergie eines Hochtemperatur-Kernreaktors mittels Vergasen von festen, kohlenstoffhaltigen Materialien beschrieben, bei dem der obere Temperaturbereich des Reaktorkühlmittels zur Vergasung von Kohle mit Wasserdampf benutzt wird und das erhaltene Kohlenmonoxid für mindestens zwei verschiedene chemische Umwandlungsprozesse eingesetzt wird, wobei einer dieser Prozesse die Bildung von Methan umfaßt Auch bei diesem Verfahren wird ein erheblicher Teil der Nuklearwärme notgedrungen zur Dampferzeugung und damit zur Stromerzeugung benutzt. Der Wirkungsgrad der Gesamtanlage wird aber um so besser, je weniger Wärme zur Stromerzeugung benutzt wird. Da man diese Stromerzeugung mit Rücksicht auf einen konstanten Betrieb der Gesamtanlage nicht den Bedarfsschwankungen eines öffentlichen Stromnetzes anpassen kann, ist dieser Strom auch nur zu geringen Preisen absetzbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Methan oder Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Stoffen mit Hilfe eines Kernreaktors, bei der der eingesetzte Kohlenstoff nahezu restlos vergast wird, die Gasausbeute möglichst groß ist und die nach außen abgegebene Strommenge möglichst klein ist Aus energetischen Gründen ist es erwünscht, möglichst viel Methan durch hydrierende Vergasung zu produzieren.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß mindestens zwei Reaktorkühllcreise vorhanden sind, wobei in einem ersten Kühlkreis ein Wasserdampfvergaser (14) angeordnet ist, und daß in einem zweiten Kühlkreis ein an sich bekannter1 Spaltofen (2) angeordnet ist, in dem ein Teil des erzeugten Methans bei hoher Temperatur zu Wasserstoff gespalten wird, der zur hydrierenden Vergasung eines anderen Teils des kohlenstoffhaltigen Stoffes benutzt wird.
Die hier erwähnten Reaktorkühlkreise, beispielsweise eines Helium-gekühlten Kugelhaufenreaktors, sind nicht unbedingt als Primärkreise zu verstehen. Nach heutiger Auffassung kann man zwar einen Spaltofen und auch einen Dampferzeuger direkt mit Primärhelium beheizen, weil man diese Apparate zusammen mit dem
Kernreaktor in einem Sicherheitsbehälter anordnen kann; die eigentlichen Kohlevergaser werden aber zweckmäßigerweise außerhalb dieses Sicherheitsbehälters angeordnet und daher mit einem Sekundärkreis beheizt
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere zur Vergasung von Steinkohle, wird vorgeschlagen, daß im ersten Kühlkreis ein Schweler vorhanden ist, von dem aus die Kohle der hydrierenden Vergasung zugeführt wird. Wenn man Kohle unter Luftabschluß erhitzt, so werden verschiedene, gasförmige oder Ieicht- bzw. schwerflüchtige Bestandteile, wie z. B. Benzol, Teeröl oder Teer frei. Einerseits sollten klebrige Stoffe bereits entfernt sein, bevor die Kohle der eigentlichen hydrierenden oder Wasserdampf vergasung zugeführt wird, um ein Zusammenbacken im Wirbelbett zu vermeiden, andererseits kann auf diesem Wege ein Teil der Reaktorwärme schon bei geringeren Temperaturen zur Aufbereitung und Vergasung der Kohle benutzt werden, so daß auch dieser Wärmeverbrauch den Gesamtwirkungsgrad der Anlage verbessert.
In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß dieser Schweler von dem aus dem Wasserdampfvergaser austretenden ersten Kühlkreis beheizt wird. Da der Wasserdampfvergaser zweckmäßigerweise mit einer Heliumtemperatur von 950 bis 85O0C arbeitet, kann das dort austretende Helium zu einem großen Teil auch ohne den Umweg über die Dampf- bzw. Stromerzeugung für den Prozeß genutzt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, wenn man in Abhängigkeit von der verwendeten Kohlensorte einen mehr oder weniger großen Anteil der Reaktorwärme im Schweler ausnutzt. Selbstverständlich kann man auch einen Teil des sekundären Heliums schon vor Eintritt in den Wasserdampfvergaser aus dem Kreislauf abzweigen und dem Schweler zuführen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß nur ein Vergaser vorhanden ist, in dem zunächst die Kohle unter Zugabe von Wasserstoff hydrierend vergast und dann der Rest-Kohlenstoff unter Zugabe von Wasserdampf zu Synthesegas umgewandelt wird. Durch die im wesentlichen exotherme Hydrierung wird dementsprechend der Kohlenstoff für die anschließende endotherme Wasserdampfvergasung vorgewärmt.
Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch in stark vereinfachter Form mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Helium-gekühlten Kernenergieanlage von 3000 MW* Fig. 1 zeigt eine Schaltung, bei der Wasserdampfvergaser und hydrierender Vergaser getrennt angeordnet sind.
F i g. 2 zeigt eine Schaltung, bei der hydrierender Vergaser und Wasserdampfvergaser in einem gemeinsamen Apparat angeordnet sind.
In beiden Figuren sind sowohl die primären als auch die sekundären Helium-Kühlkreise durch dicke durchgehende Linien dargestellt, während der Weg des kohlenstoffhaltigen Stoffes vom Rohmaterial bis zur Asche durch eine dicke aber unterbrochene Linie dargestellt ist. Alle anderen verfahrenstechnischen Leitungen sind durch dünne Linien dargestellt.
In den Fig. 1 und 2 wird der Kernreaktor 1 durch mindestens zwei primäre Helium-Kühlkreise gekühlt. Im linken Primär-Kühlkreis ist zunächst ein an sich bekannter Spaltofen 2 und dann ein Dampferzeuger 3 angeordnet, von dem das Helium über ein Gebläse 4 wieder zum Reaktor 1 befördert wird. Im Spaltofen 2 wird Methan unter Zugabe von Wasserdampf in Wasserstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid umgewandelt Das aus dem Spaltofen 2 austretende Prozeßgas wird einen an sich bekannten Shift-Konverter 5 zugeführt, in dem das Kohlenmonoxid mit Wasser zu Kohlendioxid und Wasserstoff umgewandelt wird. Danach fließt das Prozeßgas durch einen Kühler 6, wird in einer Waschanlage 7 vom Kohlendioxid befreit und fließt dann zu einer Tieftemperaturzerlegung 8, in der das Methan vom Wasserstoff getrennt und vom restlichen Kohlenmonoxid befreit wird. Das Methan wird teilweise dem Verbrauchernetz und teilweise dem Spaltofen 2 zugeführt Das Kohlenmonoxid wird erneut dem Shift-Konverter 5 zugeführt, während der Wasserstoff für die hydrierende Vergasung benutzt wird.
In F i g. 1 wird dieser Wasserstoff zunächst bei 9 vorgewärmt und dann dem hydrierenden Vergaser 10 zugeführt, in dem der Kohlenstoff beispielsweise in einem Wirbelbett zu Methan umgesetzt wird. Das hier austretende Prozeßgas wird erst bei 11 und dann bei 9 gekühlt, fließt dann durch eine Waschanlage 12 in der Kohlendioxid, gegebenenfalls auch Schwefelwasserstoff entfernt wird und wird dann ebenfalls in der Tieftemperaturzerlegung 8 getrennt.
In beiden Figuren gibt der rechte Primärkühlkreis in einem Wärmetauscher 13 seine Wärme an einen Sekundärkühlkreis ab.
In Fig. 1 beheizt das mit ca. 900°C aus dem Wärmetauscher 13 austretende sekundäre Helium einen Wasserdampfvergaser 14, in dem der eingesetzte Kohlenstoff unter Zugabe von Wasserdampf beispielsweise in einem Wirbelbett nahezu restlos zu Synthesegas umgesetzt wird. Beim Austritt aus dem Wasserdampfvergaser 14 hat das sekundäre Helium noch eine Temperatur von ca. 845°C und wird teilweise bei 15 zur Dampfüberhitzung und teilweise in dem Schweler 16 zur Aufbereitung des kohlenstoffhaltigen Stoffes benutzt Das aus dem Schweler 16 und dem Dampfüberhitzer 15 austretende sekundäre Helium gibt seine restliche Wärme in einem Dampferzeuger 17 ab und wird dann von dem Gebläse 18 wieder zum Wärmetauscher 13 gefördert Das aus dem Wasserdampfvergaser 14 austretende Prozeßgas wird bei 19 gekühlt, bei 20 vom eventuell vorhandenen Schwefelwasserstoff befreit und über eine Methanisierung 21 und über eine Kohlendioxid-Waschanlage 22 dem Verbrauchernetz zugeführt Das im Schweler 16 vorhandene Kohlenstoff-Wirbelbett wird durch Dampf aus dem Überhitzer 15 in Bewegung gehalten. Die aus dem Schweler austretenden Gase werden bei 23 abgekühlt und von Teer und öl befreit und vor der Methanisierung 20 dem Prozeßgasstrom zugemischt Die für die F i g. 1 vorgesehene Kohle fließt in gemahlener Form zunächst durch den Schweler 16, dann durch den hydrierenden Vergaser 10 und wird schließlich in dem Wasserdampfvergaser 14 nahezu restlos vergast, wobei die Asche-Bestandteile bei 14 abgezogen werden müssen.
In F i g. 2 fließt die Kohle wie in F i g. 1 zunächst durch den Schweler 16, dann aber durch einen kombinierten Vergaser 30, in dessen rechtem Teil der Kohlenstoff unter Zugabe von Wasserstoff hydrierend vergast und anschließend im linken Teil unter Zugabe von Wasserdampf und bei hoher Temperatur vergast wird. Pas aus dem kombinierten Vergaser 30 austretende Prozeßgas wird bei 19 abgekühlt, in der Waschanlage 20 von eventuell vorhandenem Schwefelwasserstoff befreit und dann der Tieftemperaturzerlegung 8 zugeführt, von der das Methan zum Verbrauchernetz geleitet wird. Für den Fall daß der zur Vergasung vorgesehene koh'en-
stoffhaltige Stoff nicht für eine Versehwelung geeignet ist, kann in beiden Figuren der Schweler 16 weggelassen werden. Wenn nur Synthesegas gewünscht wird, kann die Methanisierung 20 sowie der Shift-Konverter 5 weggelassen werden.
Beispiel
Die in F i g. 1 dargestellte Anlage könnte auf der Grundlage eines gasgekühlten Kugelhaufenreaktors von 3000 MW,/, ca. 350 000 nW/h industriell verwertbares Methan produzieren, wobei nur ca. 300 MW an elektrischer Energie abgegeben werden müssen. Bei einer reinen Wasserdampfvergasung nach dem Stand der Technik, die also etwa dem rechten Kreislauf in Fig. 1 ohne Schweler 16 entspricht, sind nur ca. 150 000 m,vVh zu erwarten, wobei noch ca. 800 MW an elektrischer Energie abgegeben werden müssen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Herstellung von Methan oder Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Stoffen mit Hilfe eines Kernreaktors, wobei ein Teil des kohlenstoffhaltigen Stoffes unter Zugabe von Wasserdampf und bei hoher Temperatur in einem Wasserdampfvergaser zu Synthesegas umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Reaktorkühlkreise vorhanden sind, wobei in einem ersten Kühlkreis der Wasserdampfvergaser (14) angeordnet ist, und in einem zweiten Kühlkreis ein an sich bekannter Spaltofen (2) angeordnet ist, in dem ein Teil des erzeugten Methans bei hoher Temperatur zu Wasserstoff gespalten wird, der zur hydrierenden Vergasung eines anderen Teils des kohlenstoffhaltigen Stoffes bea'itzt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Vergasung von Steinkohle, dadurch gekennzeichnet daß im ersten Kühlkreis ein Schweler (16) vorhanden ist, von dem aus der Kohlenstoff der hydrierenden Vergasung zugeführt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Schweler (16) von dem aus dem Wasserdampfvergaser (14) austretenden ersten Kühlkreis beheizt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Vergaser (30) vorhanden ist, in dem zunächst der Kohlenstoff unter Zugabe von Wasserstoff hydrierend vergast und dann der Restkohlenstoff unter Zugabe von Wasserdampf zu Synthesegas umgewandelt wird.
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