DE3501456A1 - Process for reducing the SO2 and NOx content of gases - Google Patents
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Abstract
Description
Verfahren zur Reduzierung des SO2- und NO - Process for reducing SO2 and NO
Gehaltes von Gasen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung des S02- und NOx -Gehaltes von bei der Vergasung von Kohle entstehenden Gasen, die nach Entschwefelung in einer Turbine verbrannt werden. Content of gases The invention relates to a method for reducing the S02 and NOx content of gases produced during the gasification of coal, which burned in a turbine after desulfurization.
Bei der Stromerzeugung in Kohlekraftwerken wird normalerweise der gesamte Schwefel als SO2 mit dem Rauchgas abgegeben. Zur Reduzierung der S02-Emission muß daher das Rauchgas in einer Rauchgasentschwefelungsanlage behandelt werden. Für die Entschwefelung von Rauchgasen sind eine Vielzahl von Verfahren entwickelt und installiert worden, die nach den verschiedensten Methoden arbeiten. Am weitesten verbreitet sind die Verfahren, bei denen durch Zugabe von Kalkmilch das SO2 chemisch in Gips umgewandelt wird, doch auch die Umsetzung des S02 mit NH3 zu Ammonsulfatoder die Auswaschung des SO2 mit physikalischen und chemischen Waschmitteln ist möglich.When generating electricity in coal-fired power plants, the all sulfur emitted as SO2 with the flue gas. To reduce the S02 emissions therefore the flue gas must be treated in a flue gas desulphurization system. A large number of processes have been developed for the desulfurization of flue gases and have been installed, which work according to the most varied of methods. The furthest Processes in which the SO2 is chemically added by adding milk of lime are widespread is converted into gypsum, but also the conversion of S02 with NH3 to ammonium sulfate or washing out the SO2 with physical and chemical detergents is possible.
Zur Reduzierung der Schwefelemission in Kraftwerken wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem die Kohle zunächst mit Sauerstoff oder Luft vergast wird und das erzeugte Gas nach Entschwefelung in einer Gasturbine zur Energieerzeugung verbrannt wird. Dies unter dem Namen combined cycle" bekanntgewordene Verfahren setzt sich aus folgenden Einzelschritten zusammen: - Partielle Oxidation von Kohle mit Luft oder Rein-O2 bei erhöhtem Druck.To reduce sulfur emissions in power plants, a procedure has been developed developed in which the coal is first gasified with oxygen or air and the generated gas after desulfurization in a gas turbine to generate energy is burned. This process has become known under the name of combined cycle " consists of the following individual steps: - Partial oxidation of coal with air or pure O2 at increased pressure.
- Abkühlung des gewonnenen Gases von Reaktionstemperatur auf Umgebungstemperatur bei gleichzeitiger Erzeugung von Dampf.- Cooling of the gas obtained from reaction temperature to ambient temperature with simultaneous generation of steam.
- Entschwefelung des abgekühlten Gases mit einem Waschprozeß. Normalerweise werden hierfür physikalische Wäschen verwendet, da aus dem Rohgas gleichzeitig H2S und COS entfernt werden müssen. Dagegen soll das CO2 weitgehend in der Gasphase verbleiben. Durch diese selektive Wäsche wird erreicht, daß die Schwefelverbindungen so konzentriert anfallen, daß die Aufarbeitung in elementaren Schwefel oder andere verwertbare Schwefelverbindungen, z.B Schwefelsäure, ohne zusätzliche Probleme bezüglich Luftverschmutzung möglich ist. Typische Waschverfahren für die selektive Entschwefelung des Gases sind Wäschen mit Polyäthylenglykoläthern oder Kaltwäschen mit organischen Lösungsmitteln, z.B. Toluol/Methanol-Gemischen.- Desulfurization of the cooled gas with a scrubbing process. Normally physical washes are used for this, as H2S is simultaneously produced from the raw gas and COS must be removed. In contrast, the CO2 should largely be in the gas phase remain. This selective washing ensures that the sulfur compounds so concentrated that it can be worked up in elemental sulfur or others Usable sulfur compounds, e.g. sulfuric acid, without additional problems regarding Air pollution is possible. Typical washing processes for selective desulfurization of the gas are washes with polyethylene glycol ethers or cold washes with organic Solvents, e.g. toluene / methanol mixtures.
- Verbrennung des entschwefelten Rohgases mit Luft unter Druck. Zur Reduzierung der Austrittstemperatur aus der Brennkammer wird normalerweise mit großem Luftüberschuß gearbeitet.- Combustion of the desulphurized raw gas with air under pressure. To the Reducing the exit temperature from the combustion chamber is usually associated with great Excess air worked.
- Entspannung des heißen Verbrennungsgases in einer Turbine, die einen Generator zur Stromerzeugung und den Kompressor zur Verdichtung der Verbrennungsluft antreibt.- Relaxation of the hot combustion gas in a turbine, which has a Generator to generate electricity and the compressor to compress the combustion air drives.
Dieses Verfahren hat neben dem Vorteil der guten Schwefel-und Staubabscheidung als wesentlichen Nachteil sowohl einen hohen Energiebedarf für die Verdichtung der Luft als auch NOx-Probleme im Rauchgas.This process has the advantage of good sulfur and dust separation as a major disadvantage both a high energy requirement for the compaction of the Air as well as NOx problems in the flue gas.
Die NO -Bildung während der Verbrennung ist direkt mit der Luftverdichtung gekoppelt. Bei niedrigerer Verbrennungstemperatur sinkt die Bildung von NOX entsprechend dem thermischen Gleichgewicht, jedoch muß dazu eine größere Luftmenge verdichtet werden, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Turbine sinkt.The NO formation during combustion is directly related to air compression coupled. At a lower combustion temperature, the formation of NOX decreases accordingly the thermal equilibrium, but a larger amount of air must be compressed reducing the overall efficiency of the turbine.
Es wurde auch vorgeschlagen, durch Zugabe von Wasserdampf vor der Verbrennung die Austrittstemperatur des unter Druck stehenden Rauchgases zu senken. Diese Dampf zugabe ist jedoch ein aufwendiges und recht teures Verfahren, da zunächst Dampf bei erhöhtem Druck erzeugt werden muß.It has also been suggested by adding water vapor before the Combustion to lower the outlet temperature of the pressurized flue gas. However, this steam addition is a complex and quite expensive process, because initially Steam must be generated at increased pressure.
Energetisch ist die Entspannung von Dampf in einer Dampfturbine wirtschaftlicher. Ein besonderer Vorteil besteht dabei darin, daß das anfallende Kondensat sofort wieder zur Dampferzeugung verwendet werden kann, während bei der Zugabe des Dampfes zum Brenngas der Wasserdampf im Rauchgas enthalten ist und nur mit großem zusätzlichen Aufwand zurückgewonnen werden kann. Es entsteht somit die Notwendigkeit zur Bereitstellung von großen Mengen an voll entsalztem Boiler-Feed-Wasser, was zusätzliche Kosten und Chemikalien bedeutet.In terms of energy, the expansion of steam in a steam turbine is more economical. A particular advantage is that the resulting condensate immediately can be used again for steam generation while adding the steam to the fuel gas the water vapor is contained in the flue gas and only with large additional Effort can be recovered. There is thus the need for provision of large amounts of fully demineralized boiler feed water, resulting in additional costs and chemicals means.
Von Lionel S. Galstaun und Robert F. Geosits wurde bei einem Treffen des amerikanischen Institutes für Chemie-Ingenieure in Anaheim, Californien vom 20. bis 24. Mai 1984 vorgeschlagen, innerhalb der Entschwefelung des Fuel-Gases durch Kopplung des Kraftwerkes mit einer Anlage zur Gewinnung von H2 oder Synthesegas Cm2 aus dem konvertierten H2-reichen Gas an das Fuel-Gas abzugeben.Lionel S. Galstaun and Robert F. Geosits were at a meeting of the American Institute for Chemical Engineers in Anaheim, California from May 20 to 24, 1984 proposed within the desulfurization of the fuel gas by coupling the power plant with a plant for the production of H2 or synthesis gas To deliver Cm2 from the converted H2-rich gas to the fuel gas.
Durch eine Kombination der beiden Wäschen zur Entschwefelung und zur CO2-Abtrennung ist es dabei möglich, entsprechend dem zusätzlichen CO2 im Fuel-Gas den Anteil des Luftüberschusses, der zur Absenkung der Temperatur des Verbrennungsgases benötigt wird, zu reduzieren und damit durch Einsparung der Luftkompressionsenergie die Energieabgabe der Expansionsturbine zu vergrößern.By combining the two washes for desulfurization and for It is possible to separate CO2 according to the additional CO2 in the fuel gas the proportion of excess air that lowers the temperature of the combustion gas is needed to reduce and thus by saving the air compression energy to increase the energy output of the expansion turbine.
Der Hauptnachteil dieses Verfahrens besteht in der Kopplung des sogenannten combined cycle" mit einer H2- oder Synthesegasproduktion. Das Verfahren ist nur dann interessant, falls eine vollkommen autarke NH3- oder Methanolanlage auf Kohlebasis gebaut wird, bei der der Energieeigenbedarf durch den sogenannten "combined cycle" gedeckt wird.The main disadvantage of this method is the coupling of the so-called combined cycle "with an H2 or synthesis gas production. The process is only then interesting if a completely self-sufficient NH3 or methanol plant based on coal is built in which the own energy requirement through the so-called "combined cycle" is covered.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Reduzierung des NOx-Austosses mit dem Rauchgas erreicht und eine Erhöhung der Leistung des Kraftwerkes durch geringere Kompressionsenergie für die Verbrennungsluft erzielt werden kann.The present invention is therefore based on the object of a method to make available of the type mentioned, with which a reduction of the NOx emissions achieved with the flue gas and an increase in the output of the power plant can be achieved by lower compression energy for the combustion air.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verbrennung des entschwefelten Gases in Gegenwart von Rein-O2 durchgeführt und die Verbrennungstemperatur durch CO2-Zugabe gesenkt wird.This object is achieved according to the invention in that the combustion of the desulphurized gas carried out in the presence of pure O2 and the combustion temperature is reduced by adding CO2.
Es wurde gefunden, daß durch Verwendung von CO2 allein für die Absenkung der Verbrennungstemperatur gleichzeitig das NOx -Problem reduziert und der Energiebedarf für die CO2-Kompression gesenkt werden kann.It was found that by using CO2 alone for the lowering the combustion temperature reduces the NOx problem and the energy requirement at the same time for CO2 compression can be lowered.
Während durch die Absenkung des N2-Gehaltes und des O2-Gehaltes die NOx -Bildung stark reduziert werden kann (entsprechend dem Gleichgewicht für das System N2, 02, NO nach der Formel kp = NO x (N2 x °2) 1/2 = konstant sinkt gleichzeitig die benötigte CO2-Menge gegenüber Luft ab entsprechend der wesentlich größeren spezifischen Wärme des CO2 gegenüber Luft.While by lowering the N2 content and the O2 content, the NOx formation can be greatly reduced (according to the equilibrium for the System N2, 02, NO according to the formula kp = NO x (N2 x ° 2) 1/2 = constant at the same time, the required amount of CO2 compared to air decreases correspondingly to the significant greater specific heat of CO2 compared to air.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dabei das für die Temperaturabsenkung benötigte CO2 aus dem die Turbine verlassenden Rauchgas abgetrennt, verdichtet und vor die Turbine zurückgeführt.According to a particularly advantageous embodiment of the invention The CO2 required for lowering the temperature is taken from the process The flue gas leaving the turbine is separated, compressed and returned to the turbine.
Im allgemeinen ist die CO2-Gewinnung aus Rauchgas recht aufwendig, da das Gas drucklos anfällt und der CO2-Partialdruck durch den großen Luft/N2-Anteil sehr niedrig ist.In general, the extraction of CO2 from flue gas is quite complex, because the gas is unpressurized and the CO2 partial pressure due to the large air / N2 proportion is very low.
Wird dagegen für die Verbrennung des Gases erfindungsgemäß nicht Luft, sondern Rein-O2 beispielsweise aus einem Luftzerleger verwendet, so besteht das Rauchgas nur noch aus CO2, Wasserdampf und Rest-O2 sowie einigen Inertgasen wie Ar und N2. Damit kann erfindungsgemäß die CO2-Gewinnung aus dem Rauchgas durch Abkühlung und Kondensation des darin enthaltenen Wasserdampfes durchgeführt werden. Da nur eine CO2 -Teilmenge zum Brenner zurückgeführt wird, ist auch eine Anreicherung von Ar und N2 nicht zu befürchten.If, however, according to the invention, air is not used for the combustion of the gas, but pure O2, for example from an air separator, is used Flue gas only consists of CO2, water vapor and residual O2 as well as some inert gases such as Ar and N2. In this way, according to the invention, CO2 can be extracted from the flue gas by cooling and condensation of the water vapor contained therein can be carried out. Because only a partial amount of CO2 is returned to the burner, is also an accumulation of Ar and N2 not to be feared.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß mit der Rückführung von CO2 unter Verwendung von O2 anstelle von Luft für die Verbrennung praktisch N2-freies Rauchgas anfällt, womit die Bildung von NOX stark reduziert ist.In summary, it can be said that with the return of CO2 practically N2-free using O2 instead of air for combustion Flue gas is produced, which greatly reduces the formation of NOX.
Durch die Verwendung von CO2 mit einer höheren spezifischen Wärme gegenüber Luft kann die im Kreislauf geführte Gasmenge reduziert werden, wodurch der Energiebedarf für die CO2-Verdichtung reduziert und die abgegebene Leistung des Kraftwerkes vergrößert wird. Nachdem das gesamte CO2, welches bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltiger Kohle erzeugt wird, wirtschaftlich gewonnen werden kann, besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, zusätzliches CO2 aus dem Rauchgas zu gewinnen und beispielsweise für EOR (enhanced oil recovery) oder Synthesen, wie die Harnstoffsynthese aus Erdgas, zu verwenden.By using CO2 with a higher specific heat compared to air, the amount of gas circulated can be reduced, whereby the energy requirements for the Reduced CO2 compression and the released Power of the power plant is increased. After all of the CO2, which is in the Combustion produced by carbonaceous coal is obtained economically can be, according to the invention there is the possibility of additional CO2 from the flue gas to win and, for example, for EOR (enhanced oil recovery) or syntheses, such as the synthesis of urea from natural gas.
Falls für die Vergasung bzw. Partialoxidation die Kohle zusammen mit flüssigen CO2 in einen Reaktor eingebracht werden soll (z.B. nach DE-OS 2 631 185), besteht nach einer weiteren Ausführungsform des Erfindungsgedankens die Möglichkeit, zusätzliches CO2 aus dem Rauchgas zu gewinnen und nach Verflüssigung zum Anmaischen der Einsatzkohle vor der Vergasungsanlage zu-verwenden. Je nach Druck des Fuel-Gases vor der Brennkammer ist dabei eventuell ein Trockner für das C02 erforderlich, um Wassereis- oder Hydratbildung zu vermeiden. If the coal is used for gasification or partial oxidation is to be introduced into a reactor with liquid CO2 (e.g. according to DE-OS 2 631 185), according to a further embodiment of the inventive concept, there is the possibility of to gain additional CO2 from the flue gas and after liquefaction for mashing to use the feed coal upstream of the gasification plant. Depending on the pressure of the fuel gas A dryer for the C02 may be required in front of the combustion chamber Avoid water ice or hydrate formation.
Im folgenden sei die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Blockdiagramms näher erläutert.In the following the invention is based on that shown in the figure Block diagram explained in more detail.
Kohle wird über eine Leitung 1 herangeführt und in einer Partialoxidations (PO)-Anlage 2 in an sich bekannter Weise unter erhöhtem Druck vergast Hierzu wird der PO-Anlage über Leitung 3 Rein-O2, der beispielsweise aus einem über Leitung 4 mit Luft versorgten Luftzerleger 5 stammen kann und in 6 verdichtet wurde, zugeführt. Das gewonnene Gas in Leitung 7 wird einer Wärmerückgewinnungsanlage 8 zugeführt und dort von Reaktionstemperatur auf etwa Umgebungstemperatur bei gleichzeitiger Erzeugung von Dampf abgekühlt.Coal is brought in via a line 1 and in a partial oxidation (PO) plant 2 is gasified in a manner known per se under increased pressure the PO system via line 3 pure O2, for example from a via line 4 can originate with air supplied air separator 5 and was compressed in 6, supplied. The gas obtained in line 7 is fed to a heat recovery system 8 and there from reaction temperature to about ambient temperature at the same time Cooled generation of steam.
Der Dampf kann über Leitung 9 gewonnen werden.The steam can be obtained via line 9.
Das abgekühlte Gas wird sodann über Leitung 10 einer Entschwefelungseinrichtung 11 zugeführt. Hier wird beispiels- weise mittels einesPolyäthylenglykoläthers oder eines Toluol/ Methanol-Gemisches selektiv H2S und COS absorptiv entfernt.The cooled gas is then passed through line 10 to a desulfurization device 11 supplied. Here is an example wise by means of a polyethylene glycol ether or a toluene / methanol mixture selectively removes H2S and COS by absorption.
Bei der Regenerierung des beladenen Waschmittels werden diese Komponenten wieder frei und können über Leitung 12 abgezogen und gegebenenfalls einer Claus-Anlage zur Weiterverarbeitung zugeführt werden.When the loaded detergent is regenerated, these components are removed free again and can be withdrawn via line 12 and possibly a Claus plant be fed for further processing.
Das entschwefelte Rohgas gelangt schließlich über Leitung 13 zu einer Gasturbine 14, in der es in Gegenwart eines CO2/O2-Gemisches unter Druck verbrannt wird. Dazu wird über Leitung 20 verdichtetes Rein-O2 aus dem Luftzerleger 5 zugeführt und mit CO2 aus Leitung 21, auf das noch näher eingegangen wird, vermischt. Das CO2 dient zur Reduzierung der Austrittstemperatur aus der Brennkammer.The desulphurized raw gas finally arrives at a line 13 Gas turbine 14, in which it burns under pressure in the presence of a CO2 / O2 mixture will. For this purpose, compressed pure O2 is supplied from the air separator 5 via line 20 and mixed with CO2 from line 21, which will be discussed in more detail below. That CO2 is used to reduce the outlet temperature from the combustion chamber.
Das heiße Verbrennungsgas wird in einer Turbine, die einen Generator zur Stromerzeugung und einen Verdichter 15 zur CO2-Verdichtung antreibt, entspannt und über Leitung 16 einer Anlage 17 zur Rauchgaskühlung zugeführt. Bei der Abkühlung des Rauchgases kondensiert der enthaltene Wasserdampf aus und wird über Leitung 18 abgezogen. Somit kann über Leitung 19 Roh-CO2 abgezogen werden, das nur noch geringe Mengen 02, N2 und Ar enthält. Das Roh-CO2 wird in dem Verdichter 15 auf den für die Verbrennung erforderlichen Druck verdichtet und zum Teil über Leitung 21 dem der Verbrennung des Rohgas dienenden Rein-O2 zugemischt und zum anderen Teil über Leitung 22 beispielsweise für EOR gewonnen.The hot combustion gas is in a turbine, which is a generator drives to generate electricity and a compressor 15 for CO2 compression, relaxed and fed via line 16 to a system 17 for flue gas cooling. When cooling down The water vapor contained in the flue gas condenses out and is passed through a line 18 deducted. Thus, raw CO2 can be withdrawn via line 19, which is just that Contains small amounts of 02, N2 and Ar. The raw CO2 is in the compressor 15 on the pressure required for the combustion is compressed and partly via a line 21 mixed with the pure O2 used to burn the raw gas and the other part won for EOR via line 22, for example.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |