DE3503610A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen und rueckgewinnen von prozesswaerme - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erzeugen und rueckgewinnen von prozesswaerme

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Description

_3_
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen und Rückgewinnen von Prozeßwärme mittels Wärmetauschern.
Für eine Reihe verfahrenstechnischer Aufgaben, so auch für die Kohlevergasung mit Luft oder Sauerstoff unter Zugabe von Wasserdampf, die Gasumwandlung, beispielsweise die Spaltung von Methan in ein Gemisch von Kohlenmonoxid und Wasserstoff, sowie die Wasserspaltung durch thermochemische Verfahren oder die Hochtemperaturelektrolyse, ist es erforderlich, die Einsatzstoffe, wie Luft, Sauerstoff oder andere Gase und Wasserdampf auf hohe Temperaturen vorzuwärmen.
So handelt es sich beispielsweise bei der Vergasung von Kohle auf oxidativem Weg um einen endothermen Prozeß mit unterstöchiometrischer Verbrennung. Diese oxidative Vergasung kann dabei mit Luft oder Sauerstoff bei Zugabe von Wasserdampf geschehen. Die bei der Vergasung erforderlichen hohen Temperaturen lassen sich entweder allein durch Teilverbrennung der Kohle oder aber durch Teilverbrennung der Kohle und Vorwärmen der für die Vergasung erforderlichen Luft bzw. des Sauerstoffs und des zuzugebenden Wasserdampfs erreichen. Eine hohe Vorwärmtemperatur für die Luft bzw. den Sauerstoff und für den Wasserdampf begünstigen die Reaktionskinetik.
Eine solch hohe Vorwärmtemperatur von Luft, Sauerstoff, anderen Gasen und Wasserdampf läßt sich erreichen, wenn ein Teil des in der Kohlevergasung erzeugten Gases verbrannt wird, um Luft-, Sauerstoff- oder Gasvorwärmer und Dampfüberhitzer zu beheizen. Dieser Teil des erzeugten Gases geht naturgemäß für andere Prozesse verloren, so daß die Vergasungsanlage nicht nur für eine bestimmte Produktgasmenge, sondern zusätzlich auch zur Erzeugung des für das Vorwärmen benötigten Brenngases ausgelegt sein muß.
Zwischen der Vergasungsanlage und der Vorwärmanlage sind zudem Leitungen für die vorgewärmte Luft bzw. den vorgewärmten Sauerstoff und den überhitzten Wasserdampf erforderlich. In diesen Leitungen treten Druckverluste, Wärmeverluste und Wärmedehnungen auf, die von den Durchsatzmengen und Drücken abhängen und einen hohen Materialaufwand bedingen. Hinzu kommt der Platzbedarf für die Leitungen.
Analog verhält es sich beispielsweise mit der Gasumwandlung von Methan in Kohlenmonoxid und Wasserstoff, während bei der Wasserspaltung die erforderliche Reaktionsenergie von außen kommen muß. Gemeinsam ist allen drei Fällen, daß die Zufuhr von Wärme auf hohem Temperaturniveau die Aufgabe erleichtert oder überhaupt erst ermöglicht.
m Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen und Rückgewinnen von
*■ Prozeßwärme zu schaffen, mit denen es möglich ist, Wärme auf hohem Temperaturniveau mit geringen Druck- und Wärmeverlusten sowie ohne besonderen apparativen Aufwand zu transportieren, wobei der Wirkungsgrad bei der Erzeugung und der Rückgewinnung der Prozeßwärme sowie des jeweiligen Prozesses selbst möglichst hoch liegen soll.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art durch Verwendung eines bei geringen Drücken bis zu hohen Temperaturen flüssigen Wärmeträgers, vorzugsweise Natrium, das eine hohe Wärmekapazität und hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Das Natrium kann in einem geschlossenen Kreislauf Wärme hoher Temperatur von einer Quelle aufnehmen und bei geringen Drücken hohe Wärmemengen in Leitungen kleinen Querschnitts transportieren und sie in Wärmetauschern an die Einsatzstoffe abgeben. Da Natrium bei etwa 100 C flüssig wird und bei Umgebungsdruck erst bei etwa 890 C siedet, vermag es Wärme innerhalb dieser Temperaturspanne in einem bis auf Reibungsverluste drucklosen Kreis-
lauf zu übertragen, ohne daß eine Phasenänderung stattfindet. Darüber hinaus steigt die Sättigungstemperatur des Natriums mit steigendem Druck steil an, so daß es auch Wärme mit höheren Temperaturen bei verhältnismäßig niedrigem Druck flüssig übertragen kann (z.B. 1000 C bei ca. 2,7 bar) . Geringe Leitungsquerschnitte und geringe Drücke machen bei der Verwendung von Natrium die Wärmedehnungs-, Isolations- und Werkstoffprobleme bei Transportentfernungen, wie sie bei den genannten Verfahren im industriellen Maßstab auftreten, für die Wärme auf hohem Temperaturniveau lösbar.
Vorzugsweise kann das Beheizen von Luft-, Sauerstoff- oder anderen Gasvorwärmern und eines Dampfüberhitzers durch eine Wärmequelle geschehen, wie sie der Rauchgasstrom einer Feue- ■■* rungsanlage oder der Heliumgasstrom eines Hochtemperaturreaktors darstellen. Wird der Rauchgasstrom einer Feuerungs- * anlage als Wärmequelle gewählt, so ergibt sich der Vorteil, daß über die aus ihm mit Hilfe des Natrium-Kreislaufs in die Kohlevergasungs-, Gasumwandlungs- und Wasserspaltungsanlagen eingekoppelte Wärme beliebige Brennstoffe - auch geringer Qualität - eingesetzt werden können. Wird die Wärme dem Heliumgasstrom eines Hochtemperaturreaktors entnommen, dann wird nukleare Wärme in die Verfahren eingekoppelt.
Wird die Vergasung mit Luft durchgeführt, erreicht das erzeugte Produktgas mit der hohen Vorwärmtemperatur der Luft und der entsprechenden Überhitzung des Wasserdampfes einen höheren Heizwert, da die Wärmemenge zum Vorwärmen der Luft und zum Überhitzen des Wasserdampfes nicht durch die unterstöchiometrische Verbrennung in der Vergasungsanlage entbunden wird und demzufolge der zu diesem Teil der Verbrennungsluft gehörende Stickstoffanteil nicht in den Vergasungsprozeß eingeführt wird. Eine Übertragung der Wärme
direkt vom Rauchgas bzw. vorn Helium an die Gase und den Wasserdampf bei den Gaserzeugungs- und Gasumwandlungsanlagen ist direkt nicht durchzuführen, da die großen Volumenströme in großen heißgehenden und druckführenden Kanalsysternen durchzuführen wären, deren Wärmedehnungs-, Isoiierungs- und Festigkeitsprobleme nicht zu lösen wären und für deren Anordnung nicht ausreichend Platz verfügbar wäre.
Da bei der Kohlevergasung, der Gasumwandlung und der Wasserspaltung hohe Temperaturen in den Produktgasen auftreten, läßt sich die in ihnen enthaltene fühlbare Wärme darüber hinaus durch Produktgas-Natrium-Wärmetauscher im Anschluß an die Kohlevergasungs-, Gasumwandlungs- und Wasserspaltungsanlagen sowie mit durch das erhitzte Natrium beaufschlagten Prozeßluftvorwärmern und Prozeßdampferzeugern bzw. -Überhitzern sowie durch sonstige Gasvorwärmer nutzen.
Es ist auch denkbar, daß bei miteinander verbundenen Prozessen, beispielsweise der Kohlevergasung mit Sauerstoff und Wasserdampf und der Wasserspaltung, über den Natriumkreislauf auch Prozeßwärme zwischen diesen Prozessen ausgetauscht wird.
In einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens werden
ein Rauchgas-Natrium-Wärmetauscher im Feuerraum eines Dampferzeugers oder im Heliumgasstrom eines Hochtemperaturreaktors angeordnet und ein Prozeßluftvorwärmer und/oder Prozeßdampfüberhitzer und/oder andere Gaserhitzer mit dem erhitzten Natrium beaufschlagt.
Im Feuerraum eines Dampferzeugers steht eine ausreichende
Wärmemenge auf hohem Temperaturniveau für das Vorwärmen der
Luft bzw. des Sauerstoffs und das Überhitzen des Prozeßdampfes zur Verfügung, da hier Temperaturen weit über
1000 C auftreten. Der Rauchgas-Natrium-Wärmetauscher kann im Feuerraum des Dampferzeugers an einer für den Wärmetauscher günstigen Stelle angeordnet sein, während hochbelastete Teile des Feuerraums des Dampferzeugers nach wie vor durch Wasser gekühlt werden und somit wesentlich geringere Wandtemperaturen aufweisen.
Von Vorteil ist ferner, daß an die in der Feuerung des Dampferzeugers eingesetzten Brennstoffe keine besonderen Qualitätsansprüche gestellt werden müssen, so daß sich über den Natrium-Kreislauf auch Wärme in die Kohlevergasung einbinden läßt, die aus einem Brennstoff stammt, der möglicherweise für eine Kohlevergasung nicht oder nur wenig geeignet ist.
Hinzu kommen die hohe Wärmekapazität des Natriums und dessen geringer Strömungswiderstand im flüssigen Zustand, die Natrium für eine Wärmeübertragung auf hohem Temperaturniveau über große Entfernungen hinweg besonders geeignet machen, wie sie zwischen einem Dampferzeuger und einer Kohleent- bzw. -vergasungsanlage auftreten. Eine solche Wärmeübertragung mittels großer Gasströme durchzuführen, verbietet sich wegen der aus der Wärmedehnung und Isolierung resultierenden Schwierigkeiten, wegen des Druckverlustes in den Gasströrnen und wegen des Materialaufwandes für die Kanäle bzw. Leitungen.
Die hohe Wärmeleitfähigkeit des Natriums hingegen und sein drucklos oder bei geringem Druck betriebener Wärmeübertragungskreislauf ermöglichen den Bau von Wärmetauschern, die nur geringe Druckverluste in den aufzuheizenden Luft-, Dampf- oder Gasströmen bewirken.
Da bei der Vergasung der Kohle in einer Gasumwandlungsanlage und/oder Wasserspaltungsanlage hohe Temperaturen auf-
treten, läßt sich die im Produktgas enthaltene fühlbare Wärme erfindungsgemäß durch einen Produktgas-Natrium-Wärmetauscher im Anschluß an die Kohlevergasungsanlage und/oder Gasumwandlungsanlage und/oder Wasserspaltungsanlage sowie ein mit dem erhitzten Natrium beaufschlagten Prozeßdampferzeuger und/oder Prozeßluftvorwärmer nutzen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung in Form eines schematischen Blockschaltbildes dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine mit einer Dampfkraftanlage gekoppelte Kohlevergasungsanlage. In einer Mahlanlage 1 wird Kohlenstaub erzeugt, der in einen Vergasungsreaktor 2 geführt wird. Aus dem Vergasungsreaktor 2 wird das Produktgas über eine Produktgasleitung 3 abgeführt. Die für die Vergasung benötigte Luft wird mittels eines Verdichters 4 in eine Prozeßluftleitung 5 gedrückt und strömt in den Vergasungsreaktor 2. In der Prozeßleitung 5 ist ein Prozeßluftvorwärmer 6 angeordnet, der von einem Natriumkreislauf 7, der mit einer Natriumumwälzpumpe 8 versehen ist, mit Wärme beaufschlagt wird. Der für die Vergasung benötigte Wasserdampf wird in einem Prozeßdampferzeuger 22 erzeugt, der über eine Pumpe 23 und eine Leitung 24 mit Speisewasser versorgt wird. Wird der Prozeßdampferzeuger 22 mit Dampf gespeist, so wirkt er als Prozeßdampfüberhitzer. Das Natrium nimmt die Wärme in einem Natriumerhitzer 9 aus dem Rauchgas der Feuerung 10 eines Dampferzeugers 11 auf.
Der in einem Verdampfer 13 des Dampferzeugers erzeugte Dampf wird zunächst durch einen Überhitzer 14 geführt und gelangt dann in eine Dampfturbine 16 mit einem Hochdruckteil und einem Niederdruckteil. Die Dampfturbine 16 treibt
einen Generator 12 an. Zwischen dem Hochdruckteil und dem Niederdrückten der Dampfturbine 13 ist ein Zwischenüberhitzer 15 angeordnet. An der Dampfturbine 16 befinden sich Anzapfungen 15, die zum Speisewasservorwärmen in einem Speisewasservorwärmer 19 dienen. Der aus der Dampfturbine 13 austretende Dampf wird in einem Kondensator 17 niedergeschlagen, mittels einer Kondensatpumpe IS in den Speisewasservorwärmer 13 gedruckt und mittels einer Speisewasserpumpe 20 in den Dampferzeuger 11 geleitet.
Der Natriumkreislauf 7 nimmt aber auch die im Produktgas enthaltene Wärme in einen Wärmetauscher 21 auf, um sie gemeinsam mit Wärme aus dem Natriumerhitzer 9 im Luftvorwärmer 6 sowie im Prozeßdampferzeuger 22 wieder abzugeben. Im Blockschaltbild sind der Natriumerhitzer 9 im Dampferzeuger 11 und der mit Natrium beaufschlagte Wärmetauscher 21 im Produktgasstrom parallel geschaltet, ebenso wie der Luftvorwärmer 6 und der Prozeßdampferzeuger 22.
Je nach anfallenden Wärmemengen und Temperaturen sind Reihenschaltungen bei diesen Wärmetauschern ausführbar.
An die Stelle der Wärmequelle, die in der Feuerung 11 durch Verbrennung von Kohle gespeist wird, kann auch ein Kochtemperaturreaktor treten, in dem die Wärme durch Kernreaktionen frei und über einen Heliumkreislauf dem Natriumerhitzer 9 übertragen wird.
Der Kohlevergasungsanlage 2 wird bei einer Vergasung mit Sauerstoff anstatt mit Luft über den Kompressor 4 und die Leitung 5 Sauerstoff zugeführt, der in dem Vorwärmer 6 aufgeheizt wird.
An die Stelle der Kohlevergasungsanlage 2 kann auch eine Gasumwandlungs- oder Wasserspaltungsanlage treten. Dann entfällt die Kohlezufuhr aus der Mahlanlage 1. Stattdessen werden bei der Gasspaltungsanlage Methan und bei der Wasserspaltungsanlage Dampf oder andere Chemikalien durch den Natriumkreislauf bis auf hohe Temperaturen vorgewärmt.
Mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung ist es möglich, Wärme auf sehr hohem Temperaturniveau aus in normalen Feuerungen verbrannter Kohle oder aus der Kernspaltung in Hochtemperaturreaktoren wirtschaftlich und technisch ausführbar über von der Anlagengröße bedingte Entfernungen in Anlagen zu transportieren, in denen Prozesse ausgeführt werden, die endotherm und bei hohen Temperaturen ablaufen. Dazu gehören die Kohlevergasung, die Gasumwandlung und die Wasserspaltung. Hit dem erfindungsgernäßen Natriumkreislauf lassen sich diese Verfahren in großtechnischem Maßstab durchführen.

Claims (9)

Dn.-lng. Reimar Kör.ig ■ Dipl.-Ing. K-aus Bergen Wi'helrn-Teii-Str. U 4GOO Düsseldorf 1 Telefor, 33 7Q £6 Patentanwälte
1.Febr.1985 33' B 7 5 K
Herr Frof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Klaus Xnizia,
Blumenweg 17, 5804 Herdecke
"Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen und rückgewinnen von Prozeßwärine"
Patentansprüche:
1. Verfahren zum Erzeugen und Rückgewinnen von Prozeßw&.rme mittels Wärmetauschern, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher mit einem bei geringen Drücken bis zu hohen Temperaturen flüssigen Wärmeträger.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von Natrium als Wärmeträger.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßwärme aus dem Rauchgasstrom einer Feuerungsanlage ausgekoppelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Prozeßwärme aus dem Heliumgasstrom eines Hochtemperaturreaktors ausgekoppelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Prozeßwärme aus dem Produktgasstrom einer Kohlevergasungsanlage zurückgewonnen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Produktwärme aus dem Produktgasstrom einer Gasumwandlungsanlage zurückgewonnen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Prozeßwärme aus dem Produktgasstrom einer Wasserspaltungsanlage zurückgewonnen wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 3 und 4, gekennzeichnet durch einen Rauchgas-Natrium-Wärmetauscher (9) im Feuerraum eines Dampferzeugers oder im Heliumgasstrom eines Hochtemperaturreaktors und einen mit dem erhitzten Natrium beaufschlagten Prozeßluftvorwärmer (6) und/oder Prozeßdampfüberhitzer (22) und/oder andere Gaserhitzer.
9. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach den
V Ansprüchen 5, 6 und 7, gekennzeichnet durch einen
Produktgas-Natrium-Wärmetauscher (l) im Anschluß an eine Kohlevergasungsanlage (2) und/oder Gasumwandlungsanlage und/oder Wasserspaltungsanlage und einen mit erhitztem Natrium beaufschlagten Prozeßdampferzeuger (22) und/oder Prozeßluftvorwärmer (6) und/oder andere Gaserhitzer.
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