DE2724833A1 - COAL GASIFICATION WITH NUCLEAR ENERGY - Google Patents

COAL GASIFICATION WITH NUCLEAR ENERGY

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Description

- 3 - 24.377.6- 3 - 24.377.6

Go/Fe 31 .05.1977Go / Fe 05/31/1977

GHTGHT

Gesellschaft für Hochtemperaturreaktor-Technik mbH 5060 Bergisch Gladbach 1Society for high temperature reactor technology mbH 5060 Bergisch Gladbach 1

Kohlevergasung mit KernenergieGasification of coal with nuclear energy

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von Methan oder Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Stoffen mit einem nuklear beheizten Heliumkreislauf. Dabei wird ein erster Teil des Kohlenstoffs mit Wasserstoff in einem hydrierenden Vergaser zu Methan umgesetzt und ein zweiter Teil des Kohlenstoffs mit Wasserdampf in einem Wasserdampfvergaser zu Synthesegas umgesetzt; zumindest ein Teil des Methans wird mit Wasserdampf in einem Spaltofen zu Wasserdampf umgesetzt. Diese Anlagen liefern entweder Methan (CH.)oder Synthesegas als Gemisch aus H_ und CO mit kleinen Anteilen von CO2 und CH4.The present invention relates to a plant for generating methane or synthesis gas from carbonaceous substances with a nuclear-heated helium circuit. A first part of the carbon is converted into methane with hydrogen in a hydrogenating gasifier and a second part of the carbon is converted into synthesis gas with steam in a steam gasifier; At least part of the methane is converted into water vapor with steam in a cracking furnace. These plants deliver either methane (CH.) Or synthesis gas as a mixture of H_ and CO with small proportions of CO 2 and CH 4 .

In der Zeitschrift: "Chemie-Ingenieur-Technik" 1974 wird auf Seite 938, insbesondere in Abbildung 1, sowie auf Seite 941, insbesondere in Abbildung 2 je ein Prozeßschema beschrieben zur Herstellung von Methan über die Wasserdampfvergasung von Kohle. Auf Seite 937 werden neue Verfahren einer hydrierenden Vergasung von Kohle zu Methan erwähnt. Beide Verfahren sind aber mit einem erheblichen Nachteil behaftet. Bei der hydrierenden Vergasung ist wegen der großen Verweilzeiten der Kohle und mit Rücksicht auf die begrenzten Abmessungen desIn the journal: "Chemie-Ingenieur-Technik" 1974 , on page 938, in particular in Figure 1, and on page 941, in particular in Figure 2, a process scheme is described for the production of methane via the steam gasification of coal. On page 937 new processes of hydrogenating gasification of coal to methane are mentioned. However, both methods have a significant disadvantage. In the hydrogenative gasification is because of the long residence times of the coal and in consideration of the limited dimensions of the

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Vergasers keine vollkommene Umsetzung der Kohle erreichbar. Der bei der hydrierenden Vergasung abfallende Restkoks enthält außer der Asche noch ca. 30 - 45 % 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 790 0C, Braunkohle 630 - 660 C), ist nur der obere Temperaturbereich der im Reaktor freiwerdenden Wärme für die Vergasung auszunutzen. Die restliche Wärme kann bei einem reinen Wasserdampfvergaser-Prozeß im wesentlichen nur noch zur Dampferzeugung und damit zur Stromerzeugung benutzt werden, weil nur ein kleiner Teil dieses Dampfes im Prozeß verwendet werden kann.Vergasers cannot achieve a perfect conversion of the coal. In addition to the ash, the residual coke that falls from the hydrogenation gasification also contains approx. 30 - 45% of the carbon used. In the case of steam gasification, on the other hand, the carbon used can be gasified almost completely. Since this process only takes place at high temperatures (hard coal 790 ° C., lignite 630-660 ° C.), only the upper temperature range of the heat released in the reactor can be used for gasification. In a pure steam gasifier process, the remaining heat can essentially only be used to generate steam and thus to generate electricity, because only a small part of this steam can be used in the process.

In dem Bericht ORNL/TM-5242 (Oak Ridge National Laboratory, November 19 76) wird auf Seite 82 eine Anlage dargestellt, in der mittels nuklearer Wärme Kohlenstoff in Methan umgesetzt wird. Die Kohle wird zunächst getrocknet, dann hydrierend vergast und der Restkoks in einem Wasserdampfvergaser zu Synthesegas umgewandelt. Ein Teil des produzierten Methans wird in einem Methanspaltofen (dort als Reformer bezeichnet) unter Zusatz von heißem Wasserdampf zu Synthesegas umgesetzt. Diese Schaltung hat aber noch folgende Nachteile: Die in einem primären aber auch in einem sekundären Heliumkreis angeordneten Prozeßwärmetauscher sind besonders aufwendig. Einerseits stellen Helium führende Rohrleitungen und Apparate erhöhte Anforderungen an die Dichtigkeit und andererseits muß auch verhindert werden, daß unerwünschte Stoffe auf diese Weise in den Primärkreis eindringen und dort entweder unerwünschte Ablagerungen bilden oder derart aktiviert werden, daß sie an anderer Stelle stören. Außerdem habenIn the report ORNL / TM-5242 (Oak Ridge National Laboratory, November 19 76) on page 82 a system is shown in which carbon is converted into methane by means of nuclear heat will. The coal is first dried, then gasified with hydrogenation and the residual coke in a steam gasifier converted to synthesis gas. Part of the methane produced is stored in a methane cracking furnace (there referred to as reformer) converted into synthesis gas with the addition of hot steam. But this circuit has the following disadvantages: The process heat exchangers arranged in a primary but also in a secondary helium circuit are particularly complex. On the one hand, pipelines and apparatus carrying helium place increased demands to the tightness and on the other hand it must also be prevented that undesired substances on this Way into the primary circuit and either form unwanted deposits there or activated in this way that they interfere elsewhere. Also have

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alle mit reinem Helium beheizten Prozeßwärmetauscher den Nachteil, daß Helium als einatomiges Gas keine Strahlungswärme abgibt, was besonders bei den hier vorgesehenen hohen Temperaturen von Nachteil ist. Man müßte also die Heliumgeschwindigkeit erhöhen, um den Wärmeübergang durch Konvektion zu erhöhen.all process heat exchangers heated with pure helium have the disadvantage that helium is not a single-atom gas Gives off radiant heat, which is a disadvantage especially at the high temperatures provided here. Man would have to increase the helium velocity in order to increase the heat transfer by convection.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Anlage zur Erzeugung von Methan oder Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Stoffen mit einem nuklear beheizten Heliumkreislauf, die die beschriebenen Nachteile weitgehend vermeidet. The object of the present invention is a plant for generating methane or synthesis gas from carbonaceous Substances with a nuclear-heated helium cycle, which largely avoids the disadvantages described.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anlage nach dem 1. Anspruch vorgeschlagen. Da die Produktgase an beiden Stellen mit einer sehr hohen Temperatur austreten und es unwirtschaftlich ist, diese hohe Temperatur nur zur Regenerativvorwärmung des eintretenden Produktgases oder gar zur Dampferzeugung auszunutzen, ist mit dieser Schaltung eine erhebliche Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Anlage zu erwarten. Die Anforderungen an die Dichtigkeit eines solchen Methanspaltofens, insbesondere im Bereich des auswechselbaren Katalysators, sind erheblich geringer, wenn auf beiden Seiten nur Prozeßgase geführt werden.To solve this problem, a system according to claim 1 is proposed. Since the product gases at both Spill places with a very high temperature and it is uneconomical to only use this high temperature Regenerative preheating of the incoming product gas or Using this circuit to even use it to generate steam is a considerable improvement in overall efficiency expected of the plant. The requirements for the tightness of such a methane cracking furnace, especially in Area of the exchangeable catalytic converter are considerably smaller if only process gases are carried on both sides will.

Die im 2. Anspruch vorgeschlagene Anlage hat besondere Vorteile, wenn vor allem Synthesegas produziert werden soll, weil alles in den beiden Vergasern erzeugte Methan gespalten wird und die dafür notwendige Wärmemenge von den beiden Produktströmen abgegeben wird, die ohnehin gekühlt werden müssen. Darüberhinaus ergibt die Anordnung von zwei Methanspaltöfen an verschiedenen Stellen besondere Vorteile bei der Regelung und bei der AnpassungThe plant proposed in the second claim has particular advantages when mainly synthesis gas is produced should, because everything generated in the two gasifiers methane is split and the amount of heat required for it the two product streams that have to be cooled anyway. In addition, the arrangement results of two methane cracking furnaces in different places have particular advantages in terms of regulation and adaptation

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an unterschiedliche Kohlesorten bzw. unterschiedliche Endprodukte, beispielsweise Methan oder Synthesegas.to different types of coal or different end products, for example methane or synthesis gas.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen in stark schematisierter Form mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung.Figures 1 to 3 show possible embodiments of the invention in a highly schematic form.

Figur 1 zeigt eine Anlage, bei der der Methan-Spaltofen von dem aus dem Wasserdampfvergaser austretenden Produktgas beheizt wird.FIG. 1 shows a system in which the methane cracking furnace differs from the one emerging from the steam gasifier Product gas is heated.

Figur 2 zeigt eine Anlage, bei der ein Methan-Spaltofen von dem aus dem hydrierenden Vergaser austretenden Produktstrom beheizt wird.Figure 2 shows a plant in which a methane cracking furnace is heated by the product stream emerging from the hydrogenating gasifier.

Figur 3 zeigt eine Anlage, bei der ein Methan-Spaltofen von dem aus dem Wasserdampfvergaser austretenden Produktstrom und ein weiterer Methan-Spaltofen von dem aus dem hydrierenden Vergaser austretenden Produktstrom beheizt wird.FIG. 3 shows a system in which a methane cracking furnace is separated from the one emerging from the steam gasifier Product stream and a further methane cracking furnace from the product stream emerging from the hydrogenating gasifier is heated.

In allen drei Figuren gibt der gasgekühlte Hochtemperaturreaktor 1 mit einem Primärheliumkreis 2 über einen Wärmetauscher 3 seine Wärme an einen Sekundärheliumkreis 4 ab,in dem nacheinander ein Wasserdampfvergaser 5, ein ProzeßdampfÜberhitzer 8, ein Dampferzeuger 9 und ein Gebläse 10 angeordnet ist, das das Helium wieder in den Wärmetauscher 3 fördert. Die Rohkohle wird zunächst unter Zugabe von Wasserstoff in dem Wasserdampfvergaser 11 zu einem großen Teil vergast und wird anschließend in dem Wasserdampfvergaser 5 unter Zugabe von überhitztem Wasserdampf nahezu restlos in ein Gemisch von Methan, Wasserstoff, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd verwandelt. Das aus dem hydrierenden Vergaser 11 austretende Produktgas wird in allen drei Figuren in dem RegenerativvorwärmerIn all three figures, the gas-cooled high-temperature reactor 1 with a primary helium circuit 2 is via a heat exchanger 3 its heat to a secondary helium circuit 4, in which a steam gasifier 5, one after the other Process steam superheater 8, a steam generator 9 and a Fan 10 is arranged, which conveys the helium back into the heat exchanger 3. The raw coal is initially under Addition of hydrogen in the steam gasifier 11 to a large part is gasified and is then in the steam gasifier 5 with the addition of superheated steam almost completely transformed into a mixture of methane, hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide. That Product gas emerging from the hydrogenating gasifier 11 is in all three figures in the regenerative preheater

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zur Vorwärmung des Wasserstoffs ausgenutzt. Anschließend wird es in einem weiteren Wärmetauscher 13 abgekühlt, bei 14 entstaubt und gereinigt, bei 15 von Kohlendioxyd und Schwefelwasserstoff befreit und einer Tieftemperaturgaszerlegung 16 zugeführt. Das aus dem Wasserdampfvergaser 5 austretende Produktgas wird bei 17 gekühlt, bei 18 wird das vorhandene Kohlenmonoxyd mit Wasser zu Kohlendioxyd und Wasserstoff überführt, bei 19 wird weiter abgekühlt, bei 20 wird Kohlendioxyd und Schwefelwasserstoff ausgewaschen und dann mit dem Verdichter 21 der Wasserstoff über den Regenerativvorwärmer 12 wieder dem hydrierenden Vergaser 11 zugeführt. Der im Dampferzeuger 9 produzierte Wasserdampf von ca. 180 bar und 540 C wird zunächst in einer Turbine 24 entspannt und zur Stromerzeugung benutzt. Ein Teil des Dampfes wird aus der Turbine entnommen und über den Prozeßdampfüberhitzer 8 dem Wasserdampfvergaser 5 zugeführt.used to preheat the hydrogen. It is then cooled in a further heat exchanger 13, at 14 dedusted and cleaned, at 15 freed from carbon dioxide and hydrogen sulfide and a low-temperature gas decomposition 16 supplied. The product gas emerging from the steam gasifier 5 is cooled at 17, at 18 the existing carbon monoxide is converted with water to carbon dioxide and hydrogen, at 19 becomes cooled further, at 20 carbon dioxide and hydrogen sulfide are washed out and then with the compressor 21 the hydrogen is fed back to the hydrogenating gasifier 11 via the regenerative preheater 12. The one in the steam generator 9 produced water vapor of approx. 180 bar and 540 C is first expanded in a turbine 24 and used to generate electricity. Part of the steam is taken from the turbine and passed through the process steam superheater 8 fed to the steam gasifier 5.

In Figur 1 dient das aus dem Wasserdampfvergaser 5 austretende Produktgas zur Beheizung eines Spaltofens 6, der mit einem Gemisch aus Methan und Wasserdampf beschickt wird und dessen Produkt auf dem bereits beschriebenen Wege über 18, 19, 20, 21 und 12 in den hydrierenden Vergaser eingespeist wird. Nach den bisherigen Berechnungen ist diese Schaltung besonders geeignet für die Methan-Produktion, wenn im hydrierenden Vergaser 11 etwa bis zu 57 % der Rohkohle vergast wird. Da im Spaltofen auf beiden Seiten annähernd gleiche Drücke gegeben sind und die beiden Medien von ähnlicher Zusammensetzung sind, so daß kleine Undichtigkeiten im Spaltofen ohne Bedeutung sind, kann bei dieser Schaltung der Spaltofen 6 mit dem geringstmöglichen Aufwand gebaut werden.In Figure 1, the product gas emerging from the steam gasifier 5 is used to heat a cracking furnace 6, which is charged with a mixture of methane and water vapor and its product in the manner already described is fed into the hydrogenating gasifier via 18, 19, 20, 21 and 12. According to previous calculations is this circuit is particularly suitable for methane production, if up to 57% in the hydrogenating gasifier 11 the raw coal is gasified. Since in the cracking furnace there are approximately the same pressures on both sides and the both media are of similar composition, so that small leaks in the cracking furnace are of no importance, With this circuit, the cracking furnace 6 can be built with the least possible effort.

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Figur 2 zeigt bei im übrigen ähnlicher Schaltung wie Figur 1 einen Spaltofen 7, der von dem aus dem hydrierenden Vergaser 11 austretenden Produktgas beheizt wird. Auch dieser Spaltofen 7 wird von einem Gemisch aus Methan und Wasserdampf beschickt und speist sein Produkt in den aus dem Wasserdampfvergaser austretenden Produktstrom ein. Die bisherigen Rechnungen zeigen, daß diese Schaltung besonders geeignet ist für die Methan-Produktion, wenn im hydrierenden Vergaser 11 60 % und mehr der eingesetzten Rohkohle vergast werden. Auch hier ist aut beiden Seiten gleicher Druck und zwei Medien vorhanden, die nicht absolut gegeneinander abgedichtet werden müssen,Figure 2 shows a circuit similar to the rest of Figure 1, a cracking furnace 7, which from the hydrogenating Carburetor 11 exiting product gas is heated. This cracking furnace 7 is also made from a mixture of methane and water vapor charges and feeds its product into the product stream exiting the water vapor gasifier a. The calculations so far show that this circuit is particularly suitable for methane production, if in the hydrogenating gasifier 11 60% and more of the raw coal used are gasified. Also here is aut Both sides have the same pressure and two media that do not have to be absolutely sealed against each other,

In Figur 3 ist sowohl ein Spaltofen 6 vorhanden, der von dem aus dem Wasserdampfvergaser 5 austretenden Medium beheizt wird, als auch ein Spaltofen 7, der von dem aus dem hydrierenden Vergaser 11 austretenden Produkt beheizt wird. Beide Spaltöfen 6 und 7 werden, wie in den Figuren 1 und 2, von einem Gemisch aus Methan und Wasserdampf gespeist. Das aus beiden Spaltöfen austretende Produkt wird ebenfalls dem aus dem Wasserdampfvergaser 5 austretenden Produktstrom zugeführt. Nach den bisherigen Berechnungen ist diese Schaltung besonders geeignet für die Produktion von Synthesegas, das im wesentlichen aus Wasserstoff und Kohlenmonoxyd besteht. Bei dieser Schaltung soll alles in den beiden Vergasern erzeugte Methan restlos gespalten werden. Daher ist eine größere Wärmemenge für die Spaltung notwendig, die sich zweckmäßigerweise auf beide Spaltöfen 6 und 7 verteilt. Im Gegensatz zu den Figuren 1 und 2 wird in der Figur 3 das in der Tieftemperaturgaszerlegung 16 abgetrennte Kohlenmonoxyd nicht wieder in den Kreislauf zurückgeführt sondern als Produkt zusammen mit einem Teil des Wasserstoffes nach außen abgegeben.In FIG. 3 there is both a cracking furnace 6, which is heated by the medium emerging from the steam gasifier 5, and a cracking furnace 7, which is heated by the product emerging from the hydrogenating gasifier 11. As in FIGS. 1 and 2, both cracking furnaces 6 and 7 are fed by a mixture of methane and water vapor. The product emerging from both cracking furnaces is also fed to the product stream emerging from the steam gasifier 5. According to the calculations made so far, this circuit is particularly suitable for the production of synthesis gas, which essentially consists of hydrogen and carbon monoxide. With this circuit, all methane generated in the two carburetors should be completely split. Therefore, a larger amount of heat is necessary for the cracking, which is expediently distributed over both cracking furnaces 6 and 7. In contrast to FIGS. 1 and 2, in FIG. 3 the carbon monoxide separated in the low-temperature gas separation 16 is not returned to the circuit but is released to the outside as a product together with part of the hydrogen.

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Wenn man mit dieser Anlage nur Wasserstoff produzieren will, kann man selbstverständlich die Tieftemperaturgaszerlegung 16 so betreiben, daß das dort abgetrennte Kohlenmonoxyd wieder, wie in den Figuren 1 und 2 in den Kreislauf zurückgeführt wird.If you only want to produce hydrogen with this plant, you can of course use low-temperature gas separation 16 operate so that the carbon monoxide separated there again, as in Figures 1 and 2 in the Cycle is returned.

Die folgende Tabelle gibt für alle drei Figuren je ein Zahlenbeispiel, das sich auf deutsche Steinkohle (Gasflammkohle)) bezieht mit 6 % Wasser, 10 % Asche und
34 % flüchtigen Bestandteilen.
The following table gives a numerical example for each of the three figures, which refers to German hard coal (gas flame coal) with 6% water, 10% ash and
34% volatile matter.

Figurfigure 11 22 33 Reaktorleistung in MWReactor power in MW 30OO30OO 30003000 3OOO3OOO Kohlenstoff-Vergasungsgrad
im hydrierenden Vergaser
in %
Carbon gasification rate
in the hydrogenating carburetor
in %
5555 6060 5555
Kohlemenge in t/hAmount of coal in t / h 860860 984984 360360 Methan-Produktion in Nm /hMethane production in Nm / h 6180OO6180OO 7OOOOO7OOOOO -- Synthesegas-ProduktionSynthesis gas production - - 7650OO7650OO

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24.377.624.377.6 Go/FeGo / Fe 31.05.197705/31/1977 GHTGHT Gesellschaft für Hochtemperaturreaktor-Technik mbH 5060 Bergisch Gladbach 1Society for high temperature reactor technology mbH 5060 Bergisch Gladbach 1 Kohlevergasung mit KernenergieGasification of coal with nuclear energy AnsprücheExpectations ι\J Anlage zur Erzeugung von Methan oder Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Stoffen mit einem nuklear beheizten Heliumkreislauf; dabei wird ein erster Teil des Kohlenstoffs mit Wasserstoff in einem hydrierenden Vergaser zu Methan umgesetzt und ein zweiter Teil des Kohlenstoffs mit Wasserdampf in einem Wasserdampfvergaser zu Synthesegas umgesetzt; zumindest ein Teil des Methans wird mit Wasserdampf in einem Spaltofen zu Wasserstoff umgesetzt. Diese Anlage hat folgende Merkmale: ι \ J Plant for the production of methane or synthesis gas from carbonaceous substances with a nuclear-heated helium cycle; a first part of the carbon is converted into methane with hydrogen in a hydrogenating gasifier and a second part of the carbon is converted into synthesis gas with steam in a steam gasifier; At least part of the methane is converted into hydrogen with steam in a cracking furnace. This system has the following features: a) Ein Methanspaltofen wird von dem aus dema) A methane cracking furnace is made from the Wasserdampfvergaser oder aus dem hydrierenden Vergaser austretenden Produktgas beheizt.Steam gasifier or product gas emerging from the hydrogenating gasifier heated. 2. Anlage nach Anspruch 1, insbesondere zur Erzeugung von Synthesegas, mit folgenden Merkmalen:2. Plant according to claim 1, in particular for generating synthesis gas, with the following features: a) Ein Methanspaltofen wird von dem aus dem Wasserdampfvergaser austretenden Produktgas beheizt,a) A methane cracking furnace is used by the steam gasifier exiting product gas is heated, 909809/0010909809/0010 b) ein weiterer Methanspaltofen wird von dem aus dein hydrierenden Vergaser austretenden Produktyas beheizt.b) another methane cracking furnace is released from the hydrogenating gasifier Produktyas heated. 909809/0010909809/0010
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