DE3335523A1 - Anlage und verfahren zur erzeugung von synthesegas aus kohle unter verwendung von nuklear gewonnener waermeenergie - Google Patents

Anlage und verfahren zur erzeugung von synthesegas aus kohle unter verwendung von nuklear gewonnener waermeenergie

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Description

  • Anlage und Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas
  • aus Kohle unter Verwendung von nuklear gewonnener Wärmeenergie Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Stoffen unter Verwendung von nuklear gewonnener Wärmeenergie mit einem in einen Reaktordruckbehälter angeordneten Helium-gekühlten Hochtemperaturreaktor, mit einem Wasserdampfvergaser, in dem die kohlenstoffhaltigen Stoffe durch Zuführung von Prozeßwärme und Prozeßdampf zu Synthesegas umgesetzt werden, mit einem Dampfüberhitzer, der den Prozeßdampf liefert, und mit einem Dampferzeuger.
  • Stand der Technik sind Anlagen zur Kohlevergasung, bei denen die kohlenstoffhaltigen Stoffe unter Zugabe von Wasserdampf und bei hoher Temperatur in einem Wasserdampfvergaser in Synthesegas umgewandelt werden. Derartige Anlagen sind beispielsweise in der DE 25 53 506 und der DE-OS 27 24 802 beschrieben.
  • Bei den beiden bekannten Anlagen wird die Prozeßwärme, für die ein hohes Temperaturniveau (ca. 900 °C) erforderlich ist, von einem Hochtemperaturreaktor geliefert. Für die Übertragung der Wärme des ReaRsorkühlmiçtels (Primärheliums) auf den Wasserdampfvergaser ist ein mit Helium (Sekundärhelium) betriebener Zwischenkreislauf vorgesehen, da es wegen der Baugröße des Wasserdampfvergasers und wegen seiner direkten Beschickung mit kohlenstoffhaltigen Stoffen nicht sinnvoll und zulässig ist, ihn in dem Reaktordruckbehälter zu integrieren und direkt mit dem Primärhelium zu beheizen. Die Beaufschlagung eines nicht innerhalb des Reaktordurckbehälters installierten Wasserdampfvergasers mit Primärhelium ist ebenfalls weder sinnvoll noch zulässig.
  • In dem Zwischenkreislauf ist ein He/He-Wärmetauscher angeordnet, aus dem das Sekundärhelium mit ca. 900 OC austritt und dem Wasserdampfvergaser zugeleitet wird. Zur Einhaltung dieser für den Wasserdampfvergaser notwendigen hohen Temperaturen muß das Primärhelium bei seinem Austritt aus dem Reaktorkern mindestens 950 "C haben, und die Anlagenteile zwischen dem Reaktor und dem Vergaser müssen für diese hohe Temperatur geeignet sein. Nach dem heutigen Stand der Technik gibt es für derartig hohe Temperaturen noch keine Werkstoffe mit einer hinreichenden Zeitstandfestigkeit für einen Betrieb der Anlage von 30 Jahren. Für den Bau der in den beiden Offenlegungsschriften beschriebenen Anlagen fallen daher erhebliche Rosten für die Entwicklung in dem Zwischenkreislauf verwendbarer Materialien an. Außerdem ist die Zwischenschaltung eines Sekundärkreislaufs zwischen Primärkreislauf und Wasserdampfvergaser mit großem Aufwand verbunden.
  • Bei den bekannten Anlagen ist der He/He-Wärmetauscher in den Reaktordruckbehälter integriert, während alle anderen Komponenten des Zwischenkreislaufs außerhalb des Reaktordruckbehälters angeordnet sind. Dies gilt auch für den Dampfüberhitzer und den Dampferzeuger, die sich - in Strömungsrichtung des Sekundärheliums gesehen - hinter dem Wasserdampfvergaser befinden. Das aus dem Wasserdampfvergaser austretende Sekundärhelium wird zunächst zur Überhitzung des Prozeßdampfes benutzt, ehe es seine restliche Wärme an den Dampferzeuger abgibt und von einem Gebläse wieder zu dem He/He-Wärmetauscher gefördert wird.
  • In der DE 27 24 802 sind in dem Zwischenkreislauf noch ein Röhrenspaltofen und ein Dampfvorüberhitzer angeordnet. Der von dem Dampferzeuger gelieferte Dampf dient dem Antrieb einer Dampfturbine, mit der Strom erzeugt wird; der Anzapfdampf dieser Dampfturbine wird über den Dampfvorüberhitzer und -überhitzer als Prozeßdampf dem Wasserdampfvergaser zugeleitet.
  • Von diesem Stand der Technik wird bei der vorliegenden Erfindung ausgegangen, wobei ihr die Aufgabe zugrunde liegt, bei einer Anlage der eingangs beschriebenen Art die mit der Verwendung eines Zwischenkreislaufs verbundenen Nachteile zu vermeiden.
  • Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gekennzeichnet: a) für die Beheizung des in an sich bekannter Weise außerhalb des Reaktordruckbehälters angeordneten Wasserdampfvergasers sind aussschließlich konventionelle Mittel vorgesehen; b) der Dampfüberhitzer und der Dampferzeuger sind innerhalb des Reaktordruckbehälters installiert und - in Strömungsrichtung des Heliums gesehen - hintereinander in dem Heliumkreislauf des Hochtemperaturreaktors angeordnet.
  • Bei der vorgeschlagenen Anlage wird also der Wasserdampfvergaser konventionell beheizt, so daß die Notwendigkeit, einen Zwischenkreislauf vorzusehen, entfällt. Das bringt hohe Kosteneinsparungen mit sich durch den direkten Wegfall von Komponenten des Zwischenreislaufs wie einen He/He-Wärmetauscher, das Gebläse für das Sekundärhelium, Rohrleitungen und Armaturen. Außerdem wird die Antriebsleistung für dieses Gebläse eingespart. Darüber hinaus kann der Aufwand für Forschung und Entwicklung heißgehender Komponenten reduziert werden, da die Heißgastemperatur des Primärheliums um mindestens 100 OC gesenkt werden kann. Die erfindungsgemäße Anlage ist praktisch sofort baubar, und das Risiko des Betreibers hat sich erheblich verringert.
  • Weiterhin wirkt sich vorteilhaft aus, daß die Speisewassertemperatur und/oder die Grädigkeit am Dampferzeuger erhöht werden können, so daß sowohl ein Dampferzeuger mit kleineren Abmessungen verwendet als auch ein höherer thermischer Wirkungsgrad erreicht werden kann.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden mehrere alternative Verfahren zum Betreiben der Anlage angegeben, die sich auf die Beheizung des Wasserdampfvergasers beziehen.
  • Ein erstes Verfahren besteht darin, den Wasserdampfvergaser elektrisch zu beheizen.
  • Gemäß einem zweiten Vorschlag kann der Wasserdampfvergaser mit Rauchgas beheizt werden, das durch die Verbrennung von Kohle, ö1, Produktgas oder dgl. gewonnen wird.
  • Bei einem weiteren Verfahren erfolgt die Beheizung des Wasserdampfvergasers unter teilweiser Verwendung der eingesetzten kohlenstoffhaltigen Stoffe oder des erzeugten Rohgases, die durch Sauerstoffzufuhr verbrannt werden.
  • Möglich ist auch die Beheizung des Wasserdampfvergasers mit Hilfe eines gesonderten Heizkreislaufs, der mit Dampf, Helium o. ä. betrieben und konventionell beheizt wird.
  • Bei allen genannten Verfahren läßt sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die durch konventionelle Beheizung gewonnene Prozeßwärme für den Wasserdampfvergaser dadurch reduzieren, daß die Endtemperatur des überhitzten Prozeßdampfes angehoben wird.
  • Ein höherer Überhitzungsgrad des Prozeßdampfes kann auf verschiedene Weise erzielt werden, z.B. durch weitere Zufuhr von nuklearer Wärme oder durch fossile oder elektrische Nacherhitzung.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbespiel der Anlage gemäß der Erfindung schematisch dargestellt wobei der Heliumkreislauf des Hochtemperaturreaktors (Primärkreislauf) durch dicke, durchgehende Linien wiedergegeben ist.
  • Die Figur zeigt einen Reaktordruckbehälter 1 aus Spannbeton, in dem ein Hochtemperaturreaktor 2 mit einem Kern 3 aus kugelförmigen Brennelementen untergebracht ist. Der Hochtemperaturreaktor 2 wird durch in einem Primärkreis 4 umlaufendes Helium gekühlt, das den Kern 3 mit einer Heißgastemperatur von 850 OC verläßt.
  • Innerhalb des Reaktordruckbehälters 1 sind in dem Primärkreis noch ein Dampfüberhitzer 5, ein Dampferzeuger 6 und ein Kühlgasgebläse 7 angeordnet, durch welches das auf etwa 300 OC abgelcühlte Helium zum Reaktor 2 zurückgefördert wird.
  • Der Dampfüberhitzer 5 wird mit Dampf von ca. 410 OC beschickt, der mittels des Heliums auf etwa 810 OC überhitzt wird. Die restliche Wärme des Heliums wird in dem Dampferzeuger 6 zur Frischdampfgewinnung ausgenutzt. Das Speisewasser tritt mit 200 OC in den Dampferzeuger 6 ein; der Frischdampf, der 540 OC hat, kann zur Stromerzeugung einer Dampfturbine zugeleitet werden. Der Anzapfdampf aus der (nicht gezeigten) Dampfturbine wird dem Dampfüberhitzer 5 zugeführt.
  • Der überhitzte Dampf aus dem Dampfüberhitzer 5 wird als Prozeßdampf in einem Wasserdampfvergaser 8 eingesetzt, in dem bei hohen Temperaturen kohlenstoffhaltige Stoffe, z.B. Koks, in Synthesegas umgewandelt werden, das zunächst als Rohgas aus dem Wasserdampfvergaser 8 austritt und in weiteren Prozessen gereinigt wird. Die zur Gaserzeugung erforderlichen hohen Temperaturen werden von einer konventionellen Beheizungseinrichtung 9 geliefert; diese kann z. B. eine elektrische Einrichtung sein.

Claims (6)

  1. Patentansprüche: 1. Anlage zur Erzeugung von Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Stoffen unter Verwendung von nuklear gewonnener Wärmeenergie mit einem in einem Reaktordruckbehälter angeordneten Helium gekühlten Hochtemperaturreaktor, mit einem Wasserdampfvergaser, in dem die kohlenstoffhaltigen Stoffe durch Zuführung von Prozeßwärme und Prozeßdampf zu Synthesegas umgesetzt werden, mit einem Dampfüberhitzer, der den Prozeßdampf für den Wasserdampfvergaser liefert, und mit einen Dampferzeuger, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) für die Beheizung des in an sich bekannter Weise außerhalb des Reaktordruckbehälters (1) angeordneten Wasserdampfvergasers (8) sind ausschließlich konventionelle Mittel (9) vorgesehen; b) der Dampfüberhitzer (5) und der Dampferzeuger (6) sind innerhalb des Reaktordruckbehälters (1) installiert und - in Strömungsrichtung des Heliums gesehen - hintereinander in dem Heliumkreislauf (4) des Hochtemperaturreaktors (2) angeordnet.
  2. 2. Verfahren zum Betreiben der Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampfvergaser (8) elektrisch beheizt wird.
  3. 3. Verfahren zum Betreiben der Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampfvergaser (8) mit durch die Verbrennung von Kohle, bl, Produktgas oder dgl. gewonnenem Rauchgas beheizt wird.
  4. 4. Verfahren zum Betreiben der Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampfvergaser (8) durch die teilweise Verbrennung der eingesetzten kohlenstoffhaltigen Stoffe oder des erzeugten Rohgases unter Sauerstoffzufuhr beheizt wird.
  5. 5. Verfahren zum Betreiben der Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung des Wasserdampfvergasers (8) durch einen gesonderten, konventionell beheizten Kreislauf erfolgt, der mit Dampf, Helium o.ä. betrieben wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anhebung der Endtemperatur des überhitzten Prozeßdampfes die dem Wasserdampfvergaser (8) zugeführte konventionell gewonnene Prozeßwärme reduziert wird.
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