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VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG EINES H2- UND CO-
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HALTIGEN SYNTHESEGASES MIT GLEICHZEITIGER ARBEITSABGABE UND GGF. ERZEUGUNG
ELEKTRI-SCHER ENERGIE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Erzeugung eines H2-und CO-haltigen Synthesegases mit gleichzeitiger Arbeitsabgabe,
d.h. Bereitstellung mechanischer Arbeit, und ggf. Erzeugung elektrischer Energie,
wobei das Synthesegas insbesondere als sauberes Treib- oder Heizgas für den Antrieb
einer Gasturbine geeignet ist.
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Bei herkömmlichen Teiloxidationsverfahren wird Sauerstoff in einer
geringeren als der stöchiometrischen Menge mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff,
ggf. in Anwesenheit eines Temperaturmoderators, zu einem H2+CO enthaltenden Gasgemisch
umgesetzt.
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Wie in der US-PS 2 975 594 der Anmelderin ausgeführt ist, kann der
einem Vorbrenner zugeführte, flüssige Kohlenwasserstoff-Beschickungsstrom erhebliche
Mengen an Schwermetallverbindungen enthalten. Wenn 0,5 bis 10 % nicht umgesetzter
Kohlenstoff, bezogen auf den im kohlenwasserstoffhaltigen Beschickungsstrom enthaltenen
Kohlenstoff, erzeugt werden, welcher wenigstens dem 50-fachen Gesamtgewicht von
Nickel und Vanadium entspricht, wird eine Kohlenstoff-Asche-Verbindung erhalten,
die sich abscheiden läßt. Das dann gewonnene, aschenfreie Gas läßt sich in den Brenner
einer Gasturbine einleiten. Vermittels eines durch die Turbine angetriebenen Verdichters
kann Luft verdichtet werden, die in einem Wärmetauscher in Wärmeaustausch mit dem
von der Turbine austretenden Abgas gebracht und wiederum zu den beiden Brennern
rückgeleitet wird. Entsprechend der US-PS 3 868 817 der Anmelderin wird Turbinentreibgas
durch Teiloxidation in Anwesenheit eines Temperaturmoderators erzeugt, der ausgewählt
ist aus der Gruppe bestehend aus wenigstens einem Teil des in der Gasreinigungszone
erhaltenen, CO2-reichen Gases, wenigstens einem Teil des Turbinenabgases und Gemischen
dieser Gase.
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Durch die Erfindung soll nunmehr ein verbessertes kontinuierliches
Teiloxidations-Vergasungsverfahren
zur Erzeugung von z.B. als Reduzier-, Treib- oder Heizgas geeignetem Synthesegas
unter gleichzeitiger Arbeitsabgabe und ggf. Erzeugung elektrischer Energie geschaffen
werden.
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Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Verfahren ist
dadurch gekennzeichnet, daß 1) durch Teiloxidation eines kohlenwasserstoffhaltigen
Brennstoffs mit einem freien Sauerstoff enthaltenden, erhitzten Gas, ggf. in Anwesenheit
eines Temperaturmoderators, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 982 bis 1650
OC und unter einem Druck im Bereich von etwa 10 bis 200 bar absolut ein H2 und CO
und wenigstens eine Verbindung der Gruppe CO2, H2O, CH4, H2S, COS, CH4, N2, A enthaltendes
Rohgas, sowie von diesem ggf. mitgeführte teilchenförmige Feststoffe in der Reaktionszone
eines frei durchströmbaren Gasgenerators erzeugt werden; 2) die ggf. mitgeführten
Feststoffe abgeschieden werden und aus dem in Verfahrensschritt 1) anfallenden Rohgas
durch Kühlung, Säuberung, Entwässerung und ggf. Reinigung eines H2- und CO-haltiges,
sauberes Synthesegas erhalten wird; 3) wenigstens ein Teil des H2 und CO enthaltenden
Synthesegases aufgeteilt wird in einen ersten Gasstrom, der in der Brennkammer eines
Druckerhitzers als Brennstoff verbrannt wird, wobei Rauchgas entsteht, sowie einen
zweiten Gasstrom, der in der Brennkammer einer aus Brenner und Expansionsturbine
bestehenden Gasturbine als Brennstoff verbrannt wird, wobei Abgas entsteht, das
als Arbeitsmedium durch die Expansionsturbine geleitet wird; und 4) in einem durch
die Expansionsturbine angetriebenen Gasverdichter freien Sauerstoff enthaltendes
Gas verdichtet, wenigstens ein Teil des verdichteten Gases in dem Druckerhitzer
erhitzt und das erhitzte, verdichtete Gas in den Gasgenerator für Verfahrensschritt
1) eingeleitet wird.
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Als freien Sauerstoff enthaltendes, erhitztes Gas wird z.B.
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Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder auch praktisch reiner
Sauerstoff zugeführt. Die Reaktion erfolgt in der Reaktionszone des Teiloxidations-Gasgenerators
bei einer im angegebenen Bereich liegenden Temperatur und unter einem im ebenfalls
angegebenen Bereich liegenden Druck. Zur Erzielung eines sauberen Synthesegases
wird das aus dem Gasgenerator austretende Rohgas abgekühlt, gesäub-ert und ggf.
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gereinigt. Das freien Sauerstoff enthaltende Gas wird vor Einführung
in den Gasgenerator verdichtet und dann durch vollständige Verbrennung oder durch
Teiloxidation eines Teils des erhaltenen Synthesegases mit Luft in einem gasbefeuerten
Druckerhitzer erhitzt. Ein zweiter Teil des Synthesegases wird zusammen mit Luft
in der Brennkammer der Gasturbine verbrannt. Das aus dem gasbefeuerten Druckerhitzer
austretende Rauchgas kann zusammen mit dem aus der Brennkammer austretenden Abgas
als Arbeitsmedium in die arbeitsleistende Expansionsturbine eingeleitet werden.
Stattdessen kann auch das vom Druckerhitzer abgegebene Rauchgas mit wenigstens einem
Teil des übrigen Synthesegases vermischt und dieses Gasgemisch dann als Brennstoff
in die Brennkammer eingeleitet werden. Die zum Betrieb eines Stromgenerators und
wenigstens eines Verdichters, durch den das freien Sauerstoff enthaltende Gas oder
die Luft verdichtet wird, benötigte Leistung wird von der Expansionsturbine erbracht.
Vermittels einer Dampfturbine kann außerdem ein Luft- oder Sauerstoff-Zusatzverdichter
angetrieben werden. Gesättigter Dampf kann in indirekten Wärmeaustausch mit dem
aus der Expansionsturbine austretenden Abgas gebracht werden, um überhitzten Dampf
als Arbeitsmedium für die Dampfturbine zu erhalten.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren wird im nachstehenden
im einzelnen und auch anhand der Zeichnungsfigur beschrieben, in welcher eine bevorzugte
Ausführungsform des Verfahrens schematisch dargestellt ist.
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Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene kontinuierliche Teiloxidations-Vergasungsverfahren
wird nicht nur als z.B.
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Reduzier-, Treib- oder Heizgas geeignetes Synthesegas erzeugt, sondern
zugleich auch mechanische Arbeit geleistet und ggf. elektrische Energie erzeugt.
Das aus: dem Gasgenerator austretende Rohgas enthält H2 und CO und wenigstens eine
Verbindung der Gruppe CO2, H2O, CH47 H2S, COS, N21 A und von diesem Gas ggf. mitgeführte
teilchenförmige Feststoffe wie z.B. Kohlenstoff und Asche. Dieses Gas wird in der
feuerfest ausgekleideten Reaktionszone eines getrennten, frei durchströmbaren, packungsfreien,
nichtkatalytischen Teiloxidations-Heizgasgenerators erzeugt. Dieser Gasgenerator
besteht vorzugsweise aus einem senkrechten Druckbehälter aus Stahl, beispielsweise
von der in der US-PS 2 992 906 (Erfinder F.E. Guptill Jr.) der Anmelderin beschriebenen
Ausführung.
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In diesem Gas generator können sehr viele unterschiedliche kohlenstoffhaltige
organische Stoffe zusammen mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas, ggf. in
Anwesenheit eines Temperaturmoderatorgases, zu einem Rohgas umgesetzt werden.
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Der hier verwendete Ausdruck "kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff"
für die Beschickungsströme oder -stoffe zum Teiloxidations-Gasgenerator soll ganz
allgemein alle gasförmigen, flüssigen und festen Kohlenwasserstoffe, kohlenwasserstoffhaltige
Materialien, sowie Gemische solcher Stoffe umfassen. Darunter sollen auch alle brennbaren,
kohlenstoffhaltigen organischen Stoffe, fossile Brennstoffe oder Aufschlämmungen
solcher Stoffe fallen. Dazu zählen z.B. 1) pumpfähige Aufschlämmungen fester, kohlenwasserstoffhaltiger
Brennstoffe wie z.B. Stein- und Braunkohle, teilchenförmiger Kohlenstoff, Petrolkoks,
konzentrieter Abwasserschlamm und Gemische dieser Stoffe in Wasser oder einem flüssigen
Kohlenwasserstoff; 2) Gas-Feststoff-Suspensionen
wie z.B. fein
zermahlene, feste, kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe, die in einem Temperaturmoderatorgas
oder in einem gasförmigen Kohlenwasserstoff dispergiert sind; und 3) Gas-Flüssigkeits-Feststoff-Dispersionen
wie z.B. ein fein zerstäubter, flüssiger Kohlenwasserstoff-Brennstoff oder Wasser
und in einem Temperaturmoderatorgas dispergierter, teilchenförmiger Kohlenstoff.
Der kohlenwasserstoffhaltige Brennstoff kann einen Schwefelgehalt im Bereich von
0 bis la Gew.-% und einen Aschengehalt im Bereich von etwa 0 bis 50 Gew.-% aufweisen.
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Unter dem hier verwendeten Ausdruck "flüssiger Kohlenwasserstoff"
sollen verstanden werden geeignete flüssige Beschikkungsströme aus unterschiedlichen
Stoffen wie z.B. verflüssigtes Erdgas, Erdgas, Erdöldestillate und -rückstände,
Benzin, Naphtha, Kerosin, Roherdöl, Asphalt, Gasöl, Rückstandsöl, Teersandöl und
Schieferöl, aus Kohle gewonnenes öl, aromatische Kohlenwasserstoffe (wie z.B. Benzol-,
Toluol- oder Xylolfraktíonen), Kohlenteer, Umwälzgasöl aus katalytischen Crackvorgängen
in flüssiger Phase, Eurfuralextrakt von Kokergasöl, sowie Gemische dieser Stoffe.
Geeignete gasförmige Kohlenwasserstoffe als Brennstoffe für das Verfahren sind z.B.
Methan, Äthan, Propan, Butan, Pentan, Erdgas, Wassergas, Koksofengas, Raffinationsgas,
Azetylenendgas, Äthylenabgas, Synthesegas und Gemische derselben.
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Gasförmige und flüssige Beschickungsströme können miteinander vermischt
und gleichzeitig eingesetzt werden und paraffinische, olefinische, naphthenische
oder aromatische Verbindungen in beliebigen Anteilen enthalten.
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Der Ausdruck "kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff" soll außerdem
umfassen oxygenierte, kohlenwasserstoffhaltige organische Stoffe einschließlich
Kohlenhydrate, Zellstoffe, Aldehyde, organische Säuren, Alkohole, Ketone, oxygeniertes
Heizöl, Abfallflüssigkeiten und oxygenierte, kohlenwasserstoffhaltige organische
Stoffe enthaltende Nebenprodukte
aus chemischen Verfahren, sowie
Gemische dieser Stoffe.
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Der kohlenwasserstoffhaltige Beschickungsstrom kann mit Zimmertemperatur
zugeführt werden, wird jedoch vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich von etwa
316 OC bis 650 OC, z.B.
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von 427 OC, wobei diese Temperatur jedoch unter seiner Cracktemperatur
liegt, vorgewärmt. Das Einführen des kohlenwasserstoffhaltigen Beschickungsstroms
in den Brenner kann in flüssiger Phase oder in Form eines verdampften Gemischs mit
einem Temperaturmoderator erfolgen. Zu diesem Zweck geeignete Temperaturmoderatoren
sind Dampf, Wasser, CO2-reiches Gas, Stickstoff in Luft, Stickstoffnebenprodukt
aus herkömmlichen Lufttrenneinheiten und Gemische der genannten Temperaturmoderatoren.
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Der Einsatz eines Temperaturmoderators zur Temperaturmoderation in
der Reaktionszone hängt im allgemeinen von dem Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnis
des Beschickungsstroms und dem Sauerstoffgehalt des Oxidationsmittels ab. Für einige
gasförmige Kohlenwasserstoffe ist ein Temperaturmoderator u.U. nicht erforderlich;
im allgemeinen wird jedoch ein Temperaturmoderator für flüssige Kohlenwasserstoff-Brennstoffe
und bei Verwendung von praktisch reinem Sauerstoff eingesetzt. Der Temperaturmoderator
kann in Beimischung mit einem oder beiden Reaktantenströmen zugeführt werden. Andererseits
läßt sich der Temperaturmoderator auch über einen getrennten Kanal im Brenner für
den Brennstoff in die Reaktionszone des Gasgenerators einleiten. Der Temperaturmoderator
kann dabei eine Temperatur im Bereich von etwa Zimmertemperatur bis 650 "C, so z.B.
zwischen 150 und 316 OC aufweisen.
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Das Gewichtsverhältnis des insgesamt zugeführten Wassers zu dem in
die Reaktionszone des Gasgenerators eingeführten Brennstoff liegt dabei im Bereich
von etwa 0 bis 5.
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Wenn in die Reaktionszone verhältnismäßig kleine Mengen Wasser
so
z.B. durch den Brenner zur Kühlung der Brennerspitze eingeführt werden, kann das
H2 0 mit dem kohlenwasserstoffhaltigen Beschickungsstrom, dem den freien Sauerstoff
enthaltenden Gas, dem Temperaturmoderator oder einer Kombination dieser zugeführten
Stoffe vermischt zugeführt werden. In jedem Falle liegt das Gewichtsverhältnis von
Wasser zu kohlenwasserstoffhaltigem Beschickungsstrom im Bereich von etwa 0,0 bis
1,0 und vorzugsweise im Bereich von 0,0 bis zu weniger als 0,2.
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Das zur Ausführung des Verfahrens verwendete, freien Sauerstoff enthaltende
Gas kann bestehen aus Luft, mit Sauerstoff angereicherter Luft, welche mehr als
21 Mol-% Sauerstoff enthält, sowie aus praktisch reinem Sauerstoff, d.h. aus mehr
als 95 Mol-% Sauerstoff (wobei der Rest aus N2 und seltenen Gasen besteht). Das
freien Sauerstoff enthaltende Gas kann mit einer Temperatur von etwa 200 bis 982
OC in den Brenner des Gasgenerators eingeleitet werden und wird zuvor, wie weiter
unten beschrieben, in einem gasbefeuerten Druckerhitzer vorher erwärmt bzw. vorerhitzt.
Das Verhältnis von freiem Sauerstoff in dem in den Gasgenerator eingeführten Oxidationsmittel
zu dem im Beschickungsstrom enthaltenen Sauerstoff (O/C-Verhältnis in Atom/Atom)
liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,7 bis 1,5.
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Die Beschickungsströme können in die Reaktionszone des Gasgenerators
durch einen Heizbrenner eingeleitet werden, der beispielsweise dem Brenner aus der
US-PS 2 928 460 (duBois Eastman u.a.) der Anmelder entsprechen kann. Es lassen sich
jedoch auch genau so gut andere Brennerausführungen verwenden.
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Die Beschickungsströme werden durch Teiloxidation in der Reaktionszone
des frei durchströmbaren Gasgenerators bei einer autogenen Temperatur im Bereich
von etwa 982 OC bis 1650 OC wie z.B. zwischen 1093 und 1593 OC und unter einem Druck
im Bereich von etwa 10 bis 200 bar absolut wie z.B. etwa 30 bis 100 bar absolut
umgesetzt. Ein Katalysator ist nicht erforderlich.
Die Reaktionszeit
im Gasgenerator beträgt etwa 1 bis 10 Sekunden.
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Der aus dem Gasgenerator austretende Rohgasstrom kann die folgende
Zusammensetzung in Mol-% aufweisen: 8,0 bis 60,0 H2, 8,0 bis 70,0 CO, 1,0 bis 50,0
CO2, 2,0 bis 50,0 H2O, o bis 30,0 CH4, o,o bis 1,0 H2S, 0,0 bis 0,7 COS, 0,0 bis
80,0 N2 und 0,0 bis 1,8 A . Der austretende Rohgasstrom enthält üblicherweise nicht
umgesetzten, teilchenförmigen Kohlenstoff in einer Menge von 0,2 bis 20 Gew.-% (bezogen
auf das Gewicht des Kohlenstoffs im Beschickungsstrom) bei flüssigen Beschickungsströmen,
und in vernachlässigbar kleinen Mengen bei gasförmigen, Kohlenwasserstoff-Beschickungsströmen.
Feste Brennstoffe wie z.B.
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Steinkohle können bis zu 50 Gew.-% Asche enthalten. Die jeweilige
Zusammensetzung des Rohgasstroms ist natürlich von den Betriebsbedingungen und den
Beschickungsströmen abhängig.
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Das erhaltene Synthesegas besteht im wesentlichen aus H2+CO.
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Bei der Herstellung von Reduziergas werden 20 und CO2 völlig oder
zum größten Teil ausgeschieden. Für Treib- oder Heizgas wird der CH4-Gehalt eingestellt
entsprechend der gewünschten Verbrennungswärme, d.h. dem Heizwert.
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Ein kontinuierlicher Strom heißen Gases, das praktisch gleiche Temperatur
und gleichen Druck wie in der Reaktionszone aufweist, tritt aus dem axialen Auslaßstutzen
des Gasgenerators aus und wird dann abgekühlt, gesäubert, entwässert und ggf.
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gereinigt. Für einen hohen Aschegehalt aufweisende kohlenwasserstoffhaltige
Brennstoffe wie z.B. Steinkohle kann ggf.
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eine Feststoffabscheidezone zwischen dem Auslaßstutzen des Gasgenerators
und einem Gaskühler vorgesehen sein.
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Die Feststoffabscheidezone kann.aus einem Schwerkraft- oder Zyklonenabscheider
oder einer anderen, physikalisch arbeitenden Säuberungsvorrichtung bestehen, durch
welche wenigstens ein Teil der von dem austretenden, heißen Rohgasstrom mitgeführten
Feststoffe wie z.B. teilchenförmiger Kohlenstoff,
Asche, Metallbestandteile,
Schlacke, Sinterschlacke, Teilchen der feuerfesten Auskleidung des Gasgenerators
und Gemische dieser Stoffe ausgeschieden werden. Zu diesem Zweck können beispielsweise
ein Auffangbehälter, eine Schlackenkammer, ein Zyklonenabscheider, eine elektrostatisch
arbeitende Ausscheidevorrichtung oder Kombinationen solcher Vorrichtungen verwendet
werden. Die Abscheidung der Feststoffteilchen aus dem austretenden Rohgasstrom erfolgt
praktisch ohne oder mit einem nur sehr geringen Temperatur- und Druckabfall im Verfahrensgasstrom.
Eine zur Ausscheidung geeignete Schlackenkammer ist schematisch in der Zeichnung
dargestellt und kann beispielsweise der aus der US-PS 3 528 930 der Anmelderin bekannten
Ausführung entsprechen.
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Der aus dem Gasgenerator oder der Feststoffabscheidezone austretende
Verfahrensgasstrom wird vorzugsweise durch indirekten Wärmeaustausch mit Wasser
in dem Gaskühler auf eine Temperatur im Bereich von etwa 93 bis 650 OC, so z.B.
im Bereich von 200 bis 316 0C abgekühlt. Dabei wird im Gaskühler Dampf mit einer
Temperatur im Bereich von etwa 200 bis 343 OC erzeugt, welcher seinerseits durch
indirekten Wärmeaustausch mit Turbinenabgas wie weiter unten beschrieben auf eine
Temperatur im Bereich von etwa 400 bis 650 OC überhitzt werden kann.
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Stattdessen können auch die vorstehend beschriebene Feststoffabscheidezone
und der Gaskühler auch dadurch ersetzt werden, daß der aus dem Gasgenerator austretende
Rohgasstrom unmittelbar mit Wasser in einem Löschtank gelöscht wird, welcher beispielsweise
dem Löschtank enechend der US-PS 2 896 927 der Anmelderin ausgebildet sein kann.
Während der Verfahrensgasstrom das auf einer Temperatur im Bereich von etwa 10 bis
232 OC gehaltene Wasser im Löschtank durchsetzt, werden praktisch sämtlicher teilchenförmiger
Kohlenstoff und andere, mitgeführte Feststoffe wie z.B. Asche aus dem Verfahrensgasstrom
ausgewaschen, wobei Wasser verdampft. Am
Boden des Löschtanks wird
eine Dispersion aus Wasser und Feststoffteilchen wie z.B. teilchenförmigen Kohlenstoff
oder Asche abgezogen und dann durch herkömmliche Flüssigkeits-Feststoff-Trennverfahren
wie z.B. durch Absetzenlassen, Filtrieren, Schleudern, flüssige Kohlenwasserstoff-Extraktion
usw. getrennt. Das abgeklärte Wasser kann zum Löschtank rückgewälzt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der aus
dem Gasgenerator austretende Gas strom nach Abkühlung in einem Gaskühler in eine
Gas-Flüssigkeits-Waschzone eingeleitet, in welcher er mit einer Waschflüssigkeit
wie z.B. flüssigem Kohlenwasserstoff oder Wasser gewaschen wird, um noch ggf. mitgeführtenteilchenförmigen
Kohlenstoff auszuscheiden. Eine zu diesem Zweck geeignete Schalen-Waschsäule für
Flüssigkeit und Gase ist in der weiteren US-PS 3 916 382 (C.P. Marion) der Anmelderin
beschrieben. Der Verfahrensgasstrom bewegt sich innerhalb einer solchen Waschsäule
nach oben, wobei er in direkter Berührung steht mit einer im Gegenstrom fließenden
Waschflüssigkeit oder verdünnten Gemischen aus teilchenförmigem Kohlenstoff und
Waschflüssigkeit, welche entlang der Säule nach unten fließen, wodurch der teilchenförmige
Kohlenstoff abgeschieden wird. Am Boden der Säule wird eine Aufschlämmung aus teilchenförmigem
Kohlenstoff und Waschflüssigkeit abgezogen und einer Kohlenstoff-Abscheide- oder
-Konzentrierzone zugeführt. Die Trennung kann auf herkömmliche Weise durch Filtrieren,
Schleudern, Schwerkraftabsetzen oder durch Extraktion mit flüssigem Kohlenwasserstoff
erfolgen, wie beispielsweise in der US-PS 2 992 906 der Anmelderin beschrieben ist.
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Saubere Waschflüssigkeit oder verdünnte Gemische von Waschflüssigkeit
und teilchenförmigen Kohlenstoff werden zum oberen Ende der Waschsäule rückgeleitet
und erneut für die Gaswäsche verwendet.
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Anstelle oder in Verbindung mit der vorgenannten Waschsäule
lassen
sich auch andere, herkömmliche Gas-Kühl- und -Reinigungsverfahren anwenden. So kann
der Verfahrensgasstrom unterhalb der Oberfläche einer Lösch- und Waschflüssigkeit
vermittels einer Tauchrohreinheit eingeführt werden. Der Verfahrensgasstrom kann
auch mehrere Waschstufen mit z.B.
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einem Düsen- oder Venturiwäscher (Skrubber) entsprechend der US-PS
3 618 296 der Anmelderin durchlaufen.
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Das saubere Synthesegas kann durch indirekten Wärmeaustausch mit wenigstens
einem Teil des H2 - und CO-haltigen Produktgases und mit Kesselspeisewasser unter
den Taupunkt abgekühlt und entwässert werden. Das aus dem Gas strom durch Verflüssigung
erhaltene Wasser kann an anderer Stelle des Verfahrens wie z.B. in der Gasreinigungszone
oder zum Ansetzen von Flüssigkeits-Feststoff-Aufschlämmungen für die Beschickungsströme
zum Gasgenerator verwendet werden.
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Entsprechend einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann der dem Teiloxidations-Gasgenerator zugeführte Beschickungsstrom auch Schwfelverbindungen
enthalten, die im austretenden Rohgasstrom als H2 5 und COS erscheinen. In diesem
Falle kann wünschenswert sein, die Konzentration von H2S und COS im Verfahrensgasstrom
so weit zu senken, daß keine Korrosion an der Turbine und an den Gasverdichtern
mehr auftritt. Aus Gründen des Umweltschutzes kann wünschenswert sein, die Konzentration
von CO2, H2S und COS im Verfahrensgas oder in dem an die freie Atmosphäre abgegebenen
Turbinenabgas herabzusetzen. Der abgekühlte, gesäuberte und entwässerte Verfahrensgasstrom
kann zu diesem Zweck gereinigt werden, indem die gasförmigen Säuren, d.h.
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Säuren in gasförmiger Form wie z.B. H2S, COS und CO2 in einer Absorptionszone
für Säuredämpfe abgeschieden werden. Damit ergibt sich der Vorteil, daß die Gasverdichter
kleiner ausgelegt und damit kostengünstiger bemessen werden können.
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Außerdem wird die Zusammensetzung des Verfahrensgasstroms verbessert
und bei Verwendung des Synthesegases als Treib- oder
Heizgas eine
Umweltverschmutzung vermieden. Gleichzeitig werden Schwfelablagerungen in abstromseitigen
Katalysatoren vermieden, mit welchen das Produktgas ggf. in Berührung kommt.
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Zur Ausscheidung der gasförmigen Verunreinigungen wie z.B.
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H2S, COS, CO2 in der Gasreinigungszone können herkömmliche Verfahren
benutzt werden. So eignen sich beispielsweise Abkühlung und physikalische oder chemische
Absorption mit Lösungsmitteln wie z.B. Methanol, n-Methylpyrrolidon, Triäthanolamin,
Propylencarbonat oder auch mit heißem Kaliumcarbonat. Bei Lösungsmittelabsorptionsverfahren
kann der größte Teil des im Lösungsmittel absorbierten CO2 durch einfaches Blitzverdampfen
freigesetzt werden, während der Rest durch Stripping ausgeschieden werden kann.
Das kann in sehr wirtschaftlicher Weise mit Stickstoff erfolgen. Stickstoff steht
nämlich ggf. als preisgünstiges Nebenprodukt zur Verfügung, wenn eine herkömmliche
Lufttrenneinheit zur Darstellung von praktisch reinem Sauerstoff (von 95 Mol-% °2
oder höher) verwendet wird, das als das freien Sauerstoff enthaltende Gas in den
Gasgenerator eingeleitet wird. Das regenerierte Lösungsmittel wird dann zur Wiederverwendung
zur Absorptionssäule rückgeleitet. Falls erforderlich, kann eine Endreinigung dadurch
erfolgen, daß das Verf ahrensgas durch Eisenoxid, Zinkoxid oder durch Aktivkohle
durchgeleitet wird, um noch verblieben Spuren von H2S oder organischen Sulfiden
zu beseitigen.
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In entsprechender Weise kann das H2S und COS enthaltende Lösungsmittel
durch Blitzverdampfen und Stripping mit Stickstoff oder durch Erhitzen unter Rückfluß
und bei verringertem Druck ohne Einsatz eines inerten Gases regeneriert werden.
Das H2S und das COS werden dann vermittels eines entsprechenden e Verfahrens zu
Schwfel umgewandelt. Zu diesem Zweck läßt sich beispielsweise das Claus-Verfahren
verwenden, mit dem elementarer Schwefel aus H2S gewonnen wird, wie im einzelnen
beschrieben
ist auf Seite 353 in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical
Technology, Zweite Ausgabe, Band 19, John Wiley, 1969.
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Ein Überschuß von SO2 kann durch chemische Bindung mit Kalk oder vermittels
eines handelsüblichen Extraktionsverfahrens beseitigt werden.
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Trockenes, sauberes und ggf. gereinigtes Verfahrensgas verläßt die
Gasreinigungszone mit einer Temperatur im Bereich von etwa 38 bis 427 OC und unter
einem Druck im Bereich von etwa 10 bis 180 bar und insbesondere von 5 bis 70 bar
Absolutdruck.
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Der Druck dieses Gasstroms ist vorteilhafterweise gleich dem Druck
im Gasgenerator, abzüglich des normalen Druckabfalls in den Rohrleitungen und Einrichtungen.
Auf diese Weise können aufwendige Gasverdichter vermieden werden. Die Zusammensetzung
dieses als H2+CO-haltigen Produktgasstroms bezeichneten Synthesegases ist beispielsweise
wie folgt in Mol-% auf Trockengewichtsbasis: 15 bis 70 H2, 20 bis 75 CO, 0 bis 30
CH4, 0,0 bis 70 N2 und 0,0 bis.2,0 A Wenigstens ein Teil wie z.B. etwa 50 bis 100
Vol-% oder insbesondere 70 bis 80 Vol-% des H2+CO-haltigen Produktgasstroms wird
verfahrensintern als Heiz- oder Treibgas verwendet. Ein Teil dieses Heiz- oder Treibgases
wird in einen Druckerhitzer und in die Brennkammer einer Gasturbine eingeleitet.
Die Temperatur des Brennstoffgases kann dabei durch indirekten Wärmeaustausch mit
sauberem Verfahrensgas gesteigert werden.
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Der nicht im Verfahren verbrauchte Teil des H2+CO-haltigen Produktgasstroms
kann als Synthesegas, Reduziergas, Treib-oder Heizgas abgeführt werden. Die jeweilige
Aufteilung des intern verbrauchten und des aus dem Verfahren abgeführten Teils des
H2+CO-haltigen Produktgases hängt in jedem Falle von der konstruktiven Auslegung
des Systems ab. Wenn z.B.
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ausgehend von einem schmutzigen Brennstoff hauptsächlich Energie erzeugt
werden soll, ohne dabei eine Umweltverschmutzung hervorzurufen, werden die abgekühlten
und gesäuberten Generatorgase zur Ausscheidung von H2O ggf. unter den Taupunkt
abgekühlt
und zur Ausscheidung von gasförmigen Säuren wie z.B. CO2, H2S und COS gereinigt.
Sämtliches erzeugtes H2+CO-haltiges Produktgas wird dann vorzugsweise verfahrens
intern als Heizgas verbraucht. In diesem Falle beträgt der Heizwert (Verbrennungswärme)
des im Verfahren erzeugten, gesäuberten entwässerten und gereinigten Heizgases zwischen
etwa 2600 und 13040 kJ/m3 und insbesondere zwischen 2790 und 5600 kJ/m3 wie z.B.
3350 kJ/m3.
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Ein Teil des verfahrens intern verbrauchten H2+CO-haltigen Produktgasstroms
wird als Heizgas in einen Druckerhitzer eingeleitet, der von herkömmlicher Ausführung
sein und eine abgeschlossene Brennkammer aufweisen kann, die einen Brenner aufweist,
durch den verdichtetes Heizgas und Luft in gegenseitiger Vermischung in die Brennkammer
eingeführt werden.
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Am Auslaß der Brennkammer tritt unter Druck stehendes Rauchgas aus.
Innerhalb der Brennkammer befindet sich eine Rohrschlange, durch welche ein freien
Sauerstoff enthaltendes Gas durchgeleitet und auf die zum Einführen in den Gasgenerator
benötigte Temperatur erhitzt wird. Innerhalb der Brennkammer des Druckerhitzers
wird das Heizgas zusammen mit Luft umgesetzt, d.h.
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verbrannt, welche mit einer Temperatur im Bereich von etwa 93 bis
370 OC in den Druckerhitzer zugeführt wird. Der Druck des Heizgases und der der
zugeführten Luft entsprechen vorzugsweise dem Druck im Gasgenerator, abzüglich normaler
Druckverluste in Rohrleitungen und Einrichtungen. Im Druckerhitzer erfolgt in Abhängigkeit
von dem O/C-Verhältnis entweder eine völlige Verbrennung oder eine Teiloxidation
des Heizgases.
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Die in den Druckerhitzer eingeleitete Menge an intern verbrauchtem
H2+CO-haltigem Gas stellt dabei nur einen kleinen Prozentsatz von etwa 2 bis 20
Vol.-% des insgesamt erzeugten Gases dar. Diese Heizgasmenge reicht jedoch dazu
aus, sämtliches, freien Sauerstoff enthaltendes Gas, welches in den Gasgenerator
eingeführt wird, auf eine Temperatur im Bereich von etwa 200 bis 982 OC, insbesondere
von 482 bis 927 OC oder
von 427 bis 650 OC zu erhitzen. Bei Umsetzung
eines Teils des freien Sauerstoff enthaltenden Gases im Druckerhitzer wird dazu
vorzugsweise sauerstoffhaltiges Gas vor seinem Eintritt in den Druckerhitzer benutzt.
Auf diese Weise kann der Druckerhitzer kleiner bemessen werden. Entsprechend einer
weiteren Ausführungsform kann auch das gesamte, freien Sauerstoff enthaltende Gas
durch den Druckerhitzer durchgeleitet werden. Dann wird ein Teil des aus dem Druckerhitzer
austretenden sauerstoffhaltigen Gases abgespalten und zusammen mit dem Heizgas im
Druckerhitzer verbrannt.
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Wenigstens ein Teil und vorzugsweise sämtliches, aus dem Druckerhitzer
mit einer Temperatur im Bereich von etwa 760 bis 1650 OC wie z.B. 816 bis 927 OC
und unter einem Druck im Bereich von etwa 5 bis 70 bar, insbesondere etwa 10 bis
20 bar absolut austretendes Rauchgas wird in eine Gasturbine eingeleitet, die aus
einem Brennerteil und einem Turbinenteil besteht. Das vom Druckerhitzer abgegebene
Rauchgas kann in den einen oder den anderen Teil der Gasturbine eingeleitet werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform wird ein Teil des H2+CO-haltigen Produktgases
in den Druckerhitzer, und der übrige Teil des intern verbrauchten Produktgases in
den Brenner der Gasturbine eingeleitet und in diesem mit Luft zusammen verbrannt.
Die Luft wird in den Brenner mit einer Temperatur von etwa 93 bis 370 OC und unter
praktisch dem gleichen Druck wie dem des zum Brenner zugeführten H2+CO-haltigen
Gasstroms eingeführt. Aus der Brennkammer der Gasturbine tritt Abgas mit einer Temperatur
im Bereich von etwa 760 bis 1650 OC, insbesondere von 816 bis 927 OC und unter einem
Druck im Bereich von etwa 5 bis 70 bar, insbesondere im-Bereich von etwa 10 bis
20 bar absolut aus. Dieses Abgas wird mit wenigstens einem Teil, und vorzugsweise
mit sämtlichem Rauchgas aus dem Druckerhitzer vermischt, wobei ein sauberer Gasstrom
entsteht.- Dieser Gasstrom kann als Arbeitsmedium durch eine arbeitleistende Expansionsturbine
durchgeleitet werden, wobei mechanische Arbeit geleistet wird. Bei vollständiger
Verbrennung
im Druckerhitzer kann das Gemisch aus vom Druckerhitzer austretendem Rauchgas und
vom Brenner abgegebenem Abgas typischerweise die folgende Zusammensetzung bei Analyse
in Mol-% aufweisen: 4 bis 2Q CO2, 4 bis 20 H2O, 75 bis 80 N2 und 0 bis 15 02. Das
Rauchgas enthält nur sehr geringe Konzentrationen von Stickoxiden (NO ), was auf
die verhältnismäßig niedrige Temperatur in der Brennkammer zurückzuführen ist, die
sich hauptsächlich aus der verhältnismäßig niedrigen adiabatischen Flammentemperatur
des verbesserten Heizgases ergibt. Außerdem ist der SO2-Gehalt des Gasstroms gleich
null, und es werden nur vernachlässigbar kleine Mengen an Feststoffteilchen mitgeführt.
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Der vom Druckerhitzer abgegebene Rauchgasstrom wird vorzugsweise mit
den Abgas aus der Brennkammer der Gasturbine vermischt, bevor dieses Gasgemisch
auf die Schaufeln der Turbine gelangt. Stattdessen können auch der vom Druckerhitzer
abgegebene Rauchgasstrom und der aus der Brennkammer der Gasturbine austretende
Abgasstrom getrennt voneinander in die Turbine eingeleitet werden.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsform wird wenigstens ein Teil
und vorzugsweise sämtliches vom Druckerhitzer abgegebenes Rauchgas zusammen mit
Luft und dem nicht im Druckerhitzer verbrannten Anteil des intern verbrauchten H2+CO-haltigen
Heizgases in den Brenner der Gasturbine eingeleitet, in welchem dann die Verbrennung
erfolgt. In diesem Falle kann es vorteilhaft sein, das Heizgas zuvor in der Brennkammer
des Druckerhitzers durch Teiloxidation umzusetzen, damit das Rauchgas etwas H2 und
CO enthält. Das aus dem Druckerhitzer austretende Rauchgas wird vorzugsweise in
Beimischung mit Heizgas in die Brennkammer eingeleitet. Stattdessen kann das Rauchgas
auch in Beimischung mit Luft zugeführt werden. Über ein Wandlergetriebe sind mit
der Turbinenwelle wenigstens ein Stromgenerator und wenigstens ein Verdichter gekoppelt
und
werden von der Turbine angetrieben. Luft wird vor Einführung
in die Gasturbine und in den Druckerhitzer vermittels eines derartigen Verdichters
auf den gewünschten Betriebsdruck von z.B. 10 bis 180 bar absolut verdichtet. Stattdessen
kann auch ein freien Sauerstoff enthaltendes Gas wie z.B. Sauerstoff oder mit Sauerstoff
angereicherte Luft durch einen von der Gasturbine angetriebenen getrennten Verdichter
auf einen Druck verdichtet werden, der etwas über dem im Gasgenerator herrschenden
Druck liegt, und dann in den Druckerhitzer eingeleitet werden. Wenn es sich bei
dem in den Gasgenerator eingeleiteten, freien Sauerstoff enthaltenden Gas um Luft
handelt, kann einer der von der Gasturbine angetriebenen Verdichter in Fortfall
kommen.
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Die Rückgewinnung der Eigenwärme des aus der Expansionsturbine mit
einer Temperatur im Bereich von etwa 427 bis 650 OC und unter einem Druck im Bereich
von etwa 1,0 bis 7,0 bar absolut austretenden, sauberen Abgases kann durch Wärmeaustausch
mit gesättigtem Dampf erfolgen, der in einem Abhitzkessel oder in einem Gaskühler
auf der Abstromseite des Gasgenerators erzeugt worden ist. Das saubere Abgas kann
anschließend, ohne dabei Umweltverschmutzung zu verusachen, an die freie Atmosphäre
abgegeben werden. Der dabei erzeugte überhitzte Dampf kann eine Temperatur im Bereich
von etwa 400 bis 650 OC aufweisen und Arbeitsmedium in wenigstens einer Expansionsturbine
eingesetzt werden. Die Axialwelle der Dampfturbine ist beispielsweise über ein Wandlergetriebe
mit der Welle eines Turboverdichters, eines Stromgenerators oder mit den Wellen
beider Maschinen gekoppelt. Entsprechend einer Ausführungsform wird das freien Sauerstoff
enthaltende Gas vermittels des durch die Gasturbine angetriebenen Verdichters verdichtet,
dann abgekühlt, vermittels eines durch die Dampf turbine angetriebenen Zusatzverdichters
noch weiter verdichtet und schließlich durch den Druckerhitzer geleitet, in welchem
es erhitzt wird.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren erbringt die
folgenden
Vorteile: 1) Es wird ein sauberes, gereinigtes, H2+CO-haltiges Synthesegas aus minderwertigen
oder ansonsten kaum in Frage kommenden Brennstoffen gewonnen.
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2) Das Produktgas weist einen höheren Heizwert auf und läßt sich als
Brennstoff ohne Umweltverschmutzung in einer leistungsabgebenden Gasturbine verbrennen.
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3) Bei gleicher Verweilzeit kann die ganze Anlage mit kleiner bemessenen
Einrichtungen wie z.B. Verdichtern, Vergasungseinrichtungen, Gaskühlern, Wärmetauschern
und Reinigungsvorrichtungen betrieben werden.
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4) Für den Brenner der Gasturbine ergeben sich weniger Verbrennungsprobleme,
insbesondere mit Verbrennungskühlverfahren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird im nachfolgenden zum besseren
Verständnis anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert, welche in Einzelheiten
eine Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Verfahrens veranschaulicht. Sämtliche
Rohrleitungen und Einrichtungen sind zur Verringerung von Wärmeverlusten vorzugsweise
wärmeisoliert.
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Der in der Zeichnung dargestellte, frei durchströmbare Teiloxidations-Gasgenerator
1 ist mit einer feuerfesten Auskleidung 2 ausgekleidet und weist in axialer Ausrichtung
zueinander einen aufstromseitigen Einlaßstutzen 3 mit Flansch, einen abstromseitigen
Auslaßstutzen 4, ebenfalls mit einem Flansch, und eine packungsfreie Reaktionszone
5 auf. Ein Ringbrenner 6 der vorstehend beschriebenen Ausführung, dessen mittiger
Kanal 7 mit der Achse des Gasgenerators 1 zusammenfällt, ist auf dem Einlaßstutzen
3 befestigt. Der mittige Kanal 7 weist einen mit Flansch versehenen aufstromseitigen
Einlaßflansch 8 und eine abstromseitige, sich konisch verjüngende Düse 9 an der
Brennerspitze auf. Außerdem umfaßt der Ringbrenner 6 einen konzentrischen, koaxialen
Ringkanal, der mit einem aufstromseitigen Einlaßflansch 10 und einem sich konisch
verjüngenden, abstromseitigen Auslaßkanal 11 verbunden ist. Es kann auch ein Brenner
von anderer Konstruktion
verwendet werden.
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Ein kontinuierlicher Strom eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases
durchsetzt eine Austauschschlange 20 in einem gasbefeuerten Druckerhitzer 21, wird
dabei erwärmt und gelangt dann durch die Rohrleitung 22 in den Einlaßflansch 8 des
Ringbrenners 6. Ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff, der beispielsweise aus
einer Aufschlämmung aus Steinkohle und Wasser bestehen kann, wird ggf. in Beimischung
mit einem Temperaturmoderator wie z.B. H2O über die Leitung 23 und den Einlaßflansch
10 in den Ringbrenner 6 eingeleitet.
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Ein T-Verbindungsstück 30 von kugeliger Ausführung und mit feuerfester
Auskleidung oder in isolierter Ausführung ist an seinem Einlaß 31 mit dem Auslaßstutzen
4 des Gasgenerators 1 verbunden. Der zum Einlaß axial ausgerichtete Auslaß 32 ist
mit dem Einlaß 33 eines isolierten Schlackenbehälters 34 verbunden. Der mit einem
Flansch versehene axiale Auslaß 35 ist normalerweise durch einen in der Leitung
39 angeordneten Schieber 40 verschlossen.
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Das Rohgas tritt vom Gasgenerator 1 durch den Auslaßstutzen 4 aus,
über den Einlaß 31 in das T-Verbindungsstück 30 ein, und wird vom letzteren über
den Auslaß 37 in die isolierte Leitung 38 abgegeben. Teilchenförmige Feststoffe
wie z.B.
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Schlacke, Kohlenstoff, Metalle oder Teilchen der feuerfesten Auskleidung,
welche im Verbindungsstück 30 aus dem Rohgasstrom ausgeschieden werden, sammeln
sich am Boden des Schlakkenbehälters 34 an und werden von Zeit zu Zeit über die
Leitung 39, den Schieber 40, die Leitung 41 und einen nicht dargestellten verschließbaren
Trichter abgeführt.
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Der vom Gasgenerator kommende Rohgasstrom wird im Gaskühler 42 durch
indirekten Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel wie z.B. über die Leitung 43 zugeführtem
Kesselspeisewasser abgekühlt.
Das Ixesselspeisewasser kann an anderer
Stelle der Anlage vorgewärmt werden. Der im Gaskühler 42 erzeugte Dampf wir(l beispielsweise
in Form gesättigten Dampfs über die Leitungen 44, 45 und 46 abgeführt und an anderer
Stelle in der Anlage eingesetzt. Ggf. kann wenigstens ein Teil des an dieser Stelle
erzeugten Dampfs über die Leitungen 47, 48 und 49 aus der Anlage abgeführt werden.
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Das abgekühlte Verfahrensgas in der Rohrleitung 55, welches noch mitgeführten,
teilchenförmigen Kohlenstoff und möglicherweise andere Feststoffe mitführt, wird
in eine Gassäuberungszone 56 eingeleitet, in welcher es mit einer Waschflüssigkeit
wie z.B. durch die Rohrleitung 57 zugeführtem Wasser gewaschen wird. Dabei erden
teilchenförmiger Kohlenstoff und andere, zurückgebliebene Feststoffteilchen aus
dem Gasstrom ausgeschieden und in Form einer Kohlenstoff-Wasser-Dispersion über
die leitung 58 abgeführt. Der saubere Verfahrensgasstrom in Leitung 59 wird durch
Abkühlung unter seinen Taupunkt entwss. Der saubere Verfahrensgasstrom durchläuft
dann einen Wärmetauscher 60, die Leitung 61, den Gaskühler 62 und die Leitung 63.
Kondenswasser wird im Auffangbehälter 64 gesammelt und über die Leitung 65 abgeführt.
Ggf. können in Form von Säuredämpfen vorhandene Verunreinigungen in einer herkömmlichen
Gasreinigungszone 70 ausgeschieden werden. In diesem Falle wird der abgekühlte,
gesäuberte und entwässerte Verfallrensgasstrom durch die Leitungen 71 und 72 hindurchgeführt.
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Säuredä.mpfe wie z.B. CO2, lI2S und COS werden in der Gasreinigungszone
70 ausgeschieden und über die Rohrleitung 73 abgeführt. Für den Fall, daß keine
Reinigung des Gasstroms erfordeLlich ist, sind eine Nebenstromleitung 74 mit einem
Ventil 75 und eine Leitung 76 vorgesenen. Der Verfahrensgasstrom in Leitung 76 oder
der gereinigte Gasstrom in der Leitung 72 besteht dann aus dem 112+CO-haltigen Produktgas.
Wenigstens ein Teil des II 2+CO-haltigen Produktgases in der Leitung 78 wird an
abstromseitiger Stelle des Verfahrens als Heizgas eingesetzt. Der übrige Teil des
Produktgases kann über die
Leitung 79, das Ventil 80 und die Leitung
81 aus der Anlage abgeführt und aus dem Verfahren entnommen werden.
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Das H2+CO-haltige Produktgas in der Rohrleitung 78 wird als Heiz-
und Treibgas in dem Druckerhitzer 21 und. in einer aus Brenner 82 und Expansionsturbine
83 bestehenden Gasturbine verbrannt. Das durch die Leitung 78 zugeführte Ileizgas
wird ggf. im Wärmetauscher 60 erhitzt und nach Durchlaufen der Leitung 85 in zwei
Teilströme aufgespalten. Der eine Heizgas strom wird über die Leitung 86 zum Einlaß
87 des Brenners 88 an der Brennkammer 89 des Druckerhitzers 21 zugeführt. Der andere
Heizgasstrom gelangt über die Leitungen 90 und 91 in den Brenner 82 der Gasturbine.
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Luft wird über die Leitung 95 und den Einlaß 96 in den Brenner 88
des Druckerhitzers 21 eingeleitet. Die bei der Verbrennung in Druckerhitzer 21 entstehendenRauchgase
werden über die Leitung 97 abgeführt. In der bevorzugten Ausführungsform ist das
Ventil 98 geschlossen und das Ventil 99 geöffnet, so daß das Rauchgas aus der Leitung
97 in die Leitung 100 abgegeben und in Leitung 101 mit dem durch die Leitung 102
aus dem Brenner 82 austretenden Abgas vermischt wird. Das Gasgemisch wird dann über
die Leitung 101 als Arbeitsmedium in die Expansionsturbine 83 eingeleitet. Bei einer
anderen Ausführungsform ist das Ventil 98 geöffnet und das Ventil 99 geschlossen,
so daß das Rauchgas aus der Leitung 97 über die Leitung 103, das Ventil 98 und die
Leitung 104 in die Leitung 91 eingeleitet, in dieser mit dem über die Leitung 90
zugeführten Heizgas vermischt und das Gasgemisch dann über die Leitung 91 dem Brenner
82 der Gasturbine zugeführt wird. Das bei der Verbrennung im Brenner 82 entstehende
Abgas wird über die Leitungen 102 und 101- als Arbeitsmedium in die Expansionsturbine
83 eingeleitet.
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Die Expansionsturbine 83 kann ggf. über eine Welle 106 mit einem Stromgenerator
105 gekoppelt sein. Ein Verdichter 108
für freien Sauerstoff enthaltendes
Gas und ggf. ein Luftverdichter 109 werden von der Expansionsturbine 83 beispielsweise
über die Wellen 110 und 111 angetrieben. Wenn es sich bei dem freien Sauerstoff
enthaltenden Gas um Luft handelt, ist der Luftverdichter 109 ggf. nicht erforderlich.
Wenn das freien Sauerstoff enthaltende Gas jedoch praktisch reiner Sauerstoff oder
mit Sauerstoff angereicherte Luft ist, umfaßt die Anlage die beiden Verdichter 108
und 109.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht das freien Sauerstoff
enthaltende Gas beispielsweise aus Luft, die über die Leitung 112 zugeführt wird.
Der Luftverdichter 109 und ein Zusatzverdichter 140 können durch Schließen der Ventile
113 und 114 und öffnen der Ventile 115, 116 und 117 aus der Anlage ausgeschlossen
werden. Sämtliche Luft für die Anlage wird dann durch den Verdichter 108 verdichtet.
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Ein erster Teil der verdichteten Luft gelangt über die Leitungen 120
bis 124, den Druckerhitzer 21, die Austauschschlange 20, die Leitung 22 und den
Einlaßflansch 8 in den Ringbreniier 6 des Gasgenerators. Ein zweiter Teil der im
Verdichter 108 verdichteten Luft gelangt über die Leitungen 120 und 125 bis 128
in den Brenner 82 der Gasturbine. Ein dritter Teil der im Verdichter 108 verdichteten
Luft gelangt über die Leitungen 120, 125, 126, 127, 129 und 95 und den Einlaß 96
in den Brenner 88.
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Bei einer anderen Ausfübrungsform kann das über die Leitung 112 zugeführte,
freien Sauerstoff enthaltende Gas aus praktisch reinem Sauerstoff bestehen, der
dann im Verdichter 108 verdichtet, im Druckerhitzer 21 erhitzt und in den Ringbrenner
6 des Gasgenerators 1 eingeleitet wird. Der weitere Luftverdichter 109 wird in diesem
Falle in der Anlage eingesetzt.
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Dazu ist das Ventil 115 geschlossen, und das Ventil 113 ist geöffnet.
Die über Leitung 135 zugeführte Luft wird im Verdichter 109 verdichtet, wobei ein
erster Teil der verdichteten
Luft über die Leitungen 136, 137,
127 und 128 in den Brenner 82 eingeleitet, und ein zweiter Teil der Luft über die
Leitungen 136, 137, 127, 129 und 95 und den Einlaß 96 in den Brenner 88 des Druckerhitzers
21 zugeführt wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann ein Zusatzverdichter 140 für
das freien Sauerstoff enthaltende Gas oder Luft vorgesehen sein, um den Druck des
zunächst durch den Verdichter 108 verdichteten Gases bzw. der Luft noch weiter zu
steigern.
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Wenigstens ein Teil dieses verdichteten Gases wird nach Erhitzung
im Druckerhitzer 21 in den Gasgenerator 1 eingeleitet.
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In diesem Falle wird bei geschlossenem Ventil 117 und geöffnetem Ventil
114 das freien Sauerstoff enthaltende Gas aus der Leitung 121 über die Leitungen
141, 142, den Wärmetauscher 143, die Leitung 144, den Wärmetauscher 145 und die
Leitung 146 in den Zusatzverdichter 140 eingeführt. Das weiter verdichtete Gas gelangt
dann durch die Leitung 147, den Wärmetauscher 143, die Leitungen 148 und 124, die
Austauschschlange 20 des Druckerhitzers 21 und die Leitung 22 zum Einlaßflansch
8 des Ringbrenners 6. Beim Durchgang durch den Wärmetauscher 145 wird das freien
Sauerstoff enthaltende Gas durch indirekten Wärmeaustausch mit Wasser abgekühlt.
Dabei kann z.B.
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Kesselspeisewasser aus Leitung 149 im Wärmetauscher 145 vorerhitzt
und dann über die Leitung 150 abgeführt werden. Das vorerhitzte Kesselspeisewasser
wird beispielsweise über die Leitung 43 in den Gaskühler 42 eingeleitet und in diesem
in der bereits beschriebenen Weise in Dampf übergeführt.
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Ggf. läßt sich der thermische Wirkungsgrad des Verfahrens dadurch
steigern, daß die Eigenwärme des von der Expansionsturbine 83 abgegeben Abgases
zur Überhitzung des in der Anlage erzeugten gesättigtem Dampfs benutzt wird. Der
überhitzte Dampf wird dann als Arbeitsmedium in wenigstens einer Dampfturbine zur
Arbeitsleistung, zur Erzeugung elektrischer Energie oder für beide Zwecke benutzt.
Das saubere Abgas der Turbine 83 gelangt beispielsweise über die Leitung 155,
den
Überhitzer 156, die Leitung 157, den Abhitzkessel 158 und die Leitung 159 zum Schornstein.
Bei geschlossenen Ventilen 48 und 160 und geöffneten Ventilen 46, 161 und 162 kann
gesättigter Dampf über die Leitungen 163, 164j den Überhitzer 156 und die Leitungen
165 bis 168 als Arbeitsmedium zur Dampfturbine 169 zugeführt werden. Die Dampfturbine
169 ist beispielsweise vermittels einer Welle 170 mit dem Zusatzverdichter 140 gekoppelt.
Überhitzter Dampf kann außerdem aus der Rohrleitung 166 über die Rohrleitungen 171
und 172 als Arbeitsmedium zur Dampfturbine 173 zugeführt werden, welche vermittels
einer Welle 175 mit einem Stromgenerator 174 gekoppelt ist. Das aus der Dampfturbine
173 austretende Abgas gelangt über die Leitung 177 zum Dampfverflüssiger 178. In
entsprechender Weise wird das von der Dampfturbine 169 kommende Abgas uber die Leitung
179 in den Dampfverflüssiger 178 eingeleitet. Kondenswasser, d.h. Kesselspeisewasser
wird vermittels der Pumpe 180 über die Leitungen 185 bis 188, den Gaskühler 62 und
durch die Leitung 189 in den Abhitzkessel 158 gepumpt. Gesättigter Dampf in der
Leitung 190 gelangt über die Leitung 164 in den Überhitzer 156. Ggf.
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kann ein Teil des durch die Leitung 187 strömenden Kesselspeisewassers
über die Leitung 191, das Ventil 192 und die Leitung 193 in die Leitung 149 eingeführt
werden, in welcher es in der vorstehend beschriebenen Weise im Wärmetauscher 145
vorerhitzt wird. Frischwasser kann der Anlage durch die Leitung 194, Ventil 195
und Leitung 196 zugeführt werden.
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Wenn eine oder beide Dampfturbinen 169, 173 nicht benutzt werden sollen,
werden entsprechend die Ventile 161 und/oder 162 geschlossen. Durch Öffnen von Ventil
160 kann überhitzter Dampf über die Leitungen 197 und 198 aus der Anlage abgeführt
werden.
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Entsprechend einer- weiteren Ausführungsform kann freien Sauerstoff
enthaltendes Gas in der Rohrleitung 124 durch indirekten Wärmeaustausch mit einem
Teil des von der Expansionsturbine
83 abgegebenen Abgases, bevor
dieses dem Druckerhitzer 21 zugeführt wird, auf eine im Bereich von etwa 427 bis
593 OC betragende Temperatur vorerhitzt werden.
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Abschließend sei angemerkt, daß das erfindungsgemäße Verfahren lediglich
aus Beschreibungsgründen und zum Zwecke der besseren Anschaulichkeit im vorstehenden
anhand bestimmter Verfahrens stoffe mit bestimmter Zusammensetzung beschrieben worden
ist.
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L e e r s e i t e