DE2845498A1

DE2845498A1 - Verfahren zur erzeugung eines h tief 2 - und co-haltigen synthesegases mit gleichzeitiger arbeitsabgabe und ggf. erzeugung elektrischer energie

Info

Publication number: DE2845498A1
Application number: DE19782845498
Authority: DE
Inventors: Rodney Mcgann
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1977-03-28
Filing date: 1978-10-19
Publication date: 1980-04-24
Also published as: US4132065A; BE872436A

Description

VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG EINES H2- UND CO-
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.
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.
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.
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.
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.
Als freien Sauerstoff enthaltendes, erhitztes Gas wird z.B.
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.
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.
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.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene kontinuierliche Teiloxidations-Vergasungsverfahren wird nicht nur als z.B.
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.
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.
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.
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.
Gasförmige und flüssige Beschickungsströme können miteinander vermischt und gleichzeitig eingesetzt werden und paraffinische, olefinische, naphthenische oder aromatische Verbindungen in beliebigen Anteilen enthalten.
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.
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.
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.
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.
Das Gewichtsverhältnis des insgesamt zugeführten Wassers zu dem in die Reaktionszone des Gasgenerators eingeführten Brennstoff liegt dabei im Bereich von etwa 0 bis 5.
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.
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.
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.
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.
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.
Steinkohle können bis zu 50 Gew.-% Asche enthalten. Die jeweilige Zusammensetzung des Rohgasstroms ist natürlich von den Betriebsbedingungen und den Beschickungsströmen abhängig.
Das erhaltene Synthesegas besteht im wesentlichen aus H2+CO.
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.
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.
gereinigt. Für einen hohen Aschegehalt aufweisende kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe wie z.B. Steinkohle kann ggf.
eine Feststoffabscheidezone zwischen dem Auslaßstutzen des Gasgenerators und einem Gaskühler vorgesehen sein.
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.
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.
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.
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.
Saubere Waschflüssigkeit oder verdünnte Gemische von Waschflüssigkeit und teilchenförmigen Kohlenstoff werden zum oberen Ende der Waschsäule rückgeleitet und erneut für die Gaswäsche verwendet.
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.
einem Düsen- oder Venturiwäscher (Skrubber) entsprechend der US-PS 3 618 296 der Anmelderin durchlaufen.
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.
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.
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.
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.
Zur Ausscheidung der gasförmigen Verunreinigungen wie z.B.
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.
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.
Ein Überschuß von SO2 kann durch chemische Bindung mit Kalk oder vermittels eines handelsüblichen Extraktionsverfahrens beseitigt werden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
2) Das Produktgas weist einen höheren Heizwert auf und läßt sich als Brennstoff ohne Umweltverschmutzung in einer leistungsabgebenden Gasturbine verbrennen.
3) Bei gleicher Verweilzeit kann die ganze Anlage mit kleiner bemessenen Einrichtungen wie z.B. Verdichtern, Vergasungseinrichtungen, Gaskühlern, Wärmetauschern und Reinigungsvorrichtungen betrieben werden.
4) Für den Brenner der Gasturbine ergeben sich weniger Verbrennungsprobleme, insbesondere mit Verbrennungskühlverfahren.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Wenigstens ein Teil dieses verdichteten Gases wird nach Erhitzung im Druckerhitzer 21 in den Gasgenerator 1 eingeleitet.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche : 1. Verfahren zur Erzeugung eines H2 - und CO-haltigen Synthesegases unter gleichzeitiger Bereitstellung von mechanischer Arbeit und ggf. Erzeugung elektrischer Energie, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , 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 ein H2 - und CO-haltiges, sauberes Synthesegas erhalten wird; 3) wenigstens ein Teil des H2 und CO enthaltenden Synthesegases aufgeteilt wird in einen ersten Gas strom, 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 fur Verfahrensschritt 1) eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Verfahrensschritt 3) wenigstens ein Teil des von dem Druckerhitzer abgegebenen Rauchgases in Beimischung mit dem von dem Brenner abgegebenen Abgas in die Expansionsturbine eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Verfahrensschritt 3) wenigstens ein Teil des Rauchgases in den Brenner der Gasturbine eingeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Verfahrensschritt 3) das Rauchgas in Beimischung mit dem zweiten Gasstrom in den Brenner eingeleitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Verfahrensschritt 4) das freien Sauerstoff enthaltende Gas auf einen Druck im Bereich von etwa 10 bis 100 bar, der etwas über dem im Gasgenerator herrschenden Druck liegt, verdichtet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, daß das in Verfahrensschritt 3) von der Gasturbine abgegebene Abgas in indirektem Wärmeaustausch mit gesättigtem Dampf gebracht, auf diese Weise überhitzter Dampf erzeugt und dieser überhitzte Dampf als Arbeitsmedium in einen elektrischen Turbogenerator eingeleitet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß das in Verfahrensschritt 3) von der Gasturbine abgegebene Abgas in indirekten Wärmeaustausch mit gesättigtem Dampf gebracht, auf diese Weise überhitzter Dampf erzeugt und dieser überhitzte Dampf als Arbeitsmedium in einen Turboverdichter eingeleitet wird, durch den das in Verfahrensschritt 4) verdichtete, freien Sauerstoff enthaltende Gas auf einen höheren Druck verdichtet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß vermittels eines durch die Expansionsturbine angetriebenen Stromgenerators elektrischer Strom erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliches, in Verfahrensschritt 3) vom Druckerhitzer abgegebenes Rauchgas und sämtliches, in Verfahrensschritt 3) erzeugtes Abgas getrennt voneinander in die Expansionsturbine eingeleitet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung in dem Druckerhitzer unter einem Druck im Bereich von etwa 10 bis 200 bar erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des von dem Synthesegas aus Verfahrensschritt 2) abgespaltenen, H2- und CO-haltigen Gasstroms, welcher in den Druckerhitzer eingeleitet wird, unter dem im Gasgenerator herrschenden Druck, abzüglich normaler Druckverluste in Rohrleitungen und Einrichtungen, zugeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß praktisch sämtliche gasförmigen Säuren aus dem Rohgas in Verfahrensschritt 1) in einer Absorptionszone ausgeschieden werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß das freien Sauerstoff enthaltende Gas ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Luft, mit Sauerstoff angereicherter Luft (von mehr als 21 Mol-% 02) und praktisch reinem Sauerstoff (von mehr als 95 Mol-% 02)..
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff ein flüssiger Kohlenwasserstoff eingesetzt wird, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus verflüssigtem Erdgas, Erdöldestillaten und -rückständen, Benzin, Naphtha, Kerosin, Roherdöl, Asphalt, Gasöl, Rückstandsöl, Teersandöl, Schieferöl, aus Kohle gewonnenem öl, aromatischen Kohlenwasserstoffen wie z.B. Benzol, Toluol, Xylolfraktionen, Kohlenteer, Umwälzgasöl aus katalytischen Crackverfahren in flüssiger Phase, Furfuralextrakt aus Kokergasöl, sowie Gemischen dieser Stoffe.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff ein gasförmiger Kohlenwasserstoff eingesetzt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff ein oxygenierter, kohlenwasserstoffhaltiger, organischer Stoff eingesetzt wird, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kohlehydraten, Zellstoffen, Aldehyden, organischen Säuren, Alkoholen, Ketonen, oxygeniertem Heizöl, Abfallflüssigkeiten und oxygenierte, kohlenwasserstoffhaltige organische Stoffe enthaltenden Nebenprodukten aus chemischen Verfahren, sowie Gemischen dieser Stoffe.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß in Verfahrensschritt 2) wenigstens ein Teil der mitgeführten Feststoffe, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus teilchenförmigen Kohlenstoff, Asche, Schlacke, Sinterschlacke, Teilchen der feuerfesten Auskleidung, Metallbestandteilen, sowie Gemischen dieser Stoffe in einem Schlakkenbehälter und einer Kohlenstoff abscheidezone ausgeschieden werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 13 oder Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet; daß als kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff eine pumpfähige Aufschlämmung aus festen, kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen eingesetzt wird, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Stein- oder Braunkohle, teilchenförmigem Kohlenstoff, Petrolkoks und konzentriertem Abwasserschlamm, sowie Gemischen dieser Stoffe in einem verdampfbaren Träger wie z.B. Wasser, einem flüssigen Kohlenwasserstoff oder einem Gemisch dieser Stoffe.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 12 oder 14 - 18, dadurch gekennzeichnet, daß als freien Sauerstoff enthaltendes Gas in Verfahrensschritt 1) Druckluft eingesetzt wird, welche zuvor in Verfahrensschritt 4) im Druckerhitzer auf eine Temperatur im Bereich von etwa 200 bis 982 OC erhitzt worden ist.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß vor Erhitzen der Druckluft im Druckerhitzer ein Teil der Druckluft in den Brenner der Gasturbine, und ein anderer Teil der Druckluft in die Brennkammer des Druckerhitzers eingeleitet wird.
21. Verfahren nach Anspruch 1', dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Druckluft vor Erhitzen derselben im Druckerhitzer in den Brenner der Gasturbine, und ein anderer Teil der Druckluft nach Erhitzen im Druckerhitzer in die Brennkammer des Druckerhitzers eingeleitet wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 12, 14 - 18 dadurch gekennzeichnet, daß als freien Sauerstoff enthaltendes Gas in Verfahrensschritt 1) praktisch reiner Sauerstoff eingesetzt wird, welcher vor Einführen in den Gasgenerator in Verfahrensschritt 4) im Druckerhitzer auf eine Temperatur im Bereich von etwa 200 bis 982 OC erhitzt wird, sowie außerdem Luft in einem von der Expansionsturbine angetriebenen, getrennten Verdichter verdichtet und ein Teil dieser verdichteten LufX in den Brenner der Gasturbine, und ein anderer Teil in die Brennkammer des Druckerhitzers eingeführt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gasstrom in Verfahrensschritt 3) in der Brennkammer des Druckerhitzers durch Teiloxidation mit Luft zur Reaktion gebracht wird.
24. Verfahren nach Anspruch 1, insbesondere zur Erzeugung eines als Treib- oder Heizgas geeigneten Synthesegases, dadurch gekennzeichnet, daß als freien Sauerstoff enthaltendes Gas in Verfahrensschritt 1) Luft verwendet, das bei der Verbrennung des ersten Gasstroms zusammen mit Luft entstehende Rauchgas in die Gasturbine eingeleitet, der zweite Gasstrom zusammen mit Luft im Brenner der Gasturbine verbrannt und Luft vermittels eines von der Expansionsturbine angetriebenen Verdichters verdichtet wird, wobei ein Teil der verdichteten Luft in Verfahrens schritt 4) im Druckerhitzer erhitzt und als Luft für Verfahrensschritt 1) in den Gasgenerator eingeleitet, ein zweiter Teil der verdichteten Luft für die Verbrennung des ersten Gasstroms in den Druckerhitzer eingeleitet, und ein dritter Teil der verdichteten Luft als Verbrennungsluft in den Brenner der Gasturbine eingeleitet wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Rauchgases zusammen mit vom Brenner abgegebenem, sauberem Abgas in die Expansionsturbine eingeleitet wird.
26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Rauchgases zusammen mit dem zweiten Gasstrom in den Brenner der Gasturbine eingeleitet wird.
27. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung in Verfahrensschritt 2) durch indirekten Wärmeaustausch zwischen dem in Verfahrensschritt 1) anfallenden Rohgas und Wasser erfolgt, wobei gesättigter Dampf erzeugt wird, welcher durch indirekten Wärmeaustausch mit von der Turbine abgegebenem, sauberem Abgas überhitzt wird, wenigstens ein Teil des überhitzten Dampfs als Arbeitsmedium in einen Turboverdichter eingeführt und die verdichtete Luft vor Einführen in den Druckerhitzer auf einen höheren Druck verdichtet wird.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des überhitzten Dampfs als Arbeitsmedium in einen elektrischen Turbogenerator eingeleitet wird.
29. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die zweifach verdichtete Luft vor Einleiten in den Druckerhitzer durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Teil des Turbinenabgases vorerhitzt wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 29, dadurch gekennzeichnet, daß das freien Sauerstoff enthaltende, verdichtete Gas vor Einleitung in den Druckerhitzer entsprechend Verfahrensschritt 4) durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Teil des in Verfahrensschritt 3) von der Expansionsturbine abgegebenen Abgases vorerhitzt wird.