DE3523487A1 - Verfahren und anlage zur erzeugung von elektrischer energie - Google Patents

Verfahren und anlage zur erzeugung von elektrischer energie

Info

Publication number
DE3523487A1
DE3523487A1 DE19853523487 DE3523487A DE3523487A1 DE 3523487 A1 DE3523487 A1 DE 3523487A1 DE 19853523487 DE19853523487 DE 19853523487 DE 3523487 A DE3523487 A DE 3523487A DE 3523487 A1 DE3523487 A1 DE 3523487A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
gas
process gas
fuel cell
temperature fuel
electrical energy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19853523487
Other languages
English (en)
Inventor
Ihsan Prof Dr Barin
Hans Dr Hoefer
Richard Klefisch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kloeckner Humboldt Deutz AG
Original Assignee
Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kloeckner Humboldt Deutz AG filed Critical Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority to DE19853523487 priority Critical patent/DE3523487A1/de
Publication of DE3523487A1 publication Critical patent/DE3523487A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/067—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion heat coming from a gasification or pyrolysis process, e.g. coal gasification
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]
    • Y02E20/18—Integrated gasification combined cycle [IGCC], e.g. combined with carbon capture and storage [CCS]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem über die Vergasung von Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoffen enthaltenden Brennstoffen unter Anwesenheit von sauerstoffenthaltenden Vergasungsmedien und gegebenenfalls Schlackenbildnern in einer feuerflüssigen Eisenschmelze gewonnenen Prozeßgas. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Ein derartiges Verfahren wird in der DE-OS 27 33 790 beschrieben. Danach wird aus der im erzeugten Prozeßgas enthaltenen, fühlbaren Wärme Dampf erzeugt, mit welchem ein Generator betrieben wird. Das gereinigte, gewaschene und gekühlte Prozeßgas steht neben einer Verwendung als Treib- bzw. Trägergas am Eisenbadreaktor gegebenenfalls für Verbraucher in einem Hüttenwerk oder dergleichen zur Verfügung. Hierzu wird es in einem Gasometer gespeichert. Nachteilig hierbei ist die anlagen- und betriebskostenintensive Zwischenlagerung bzw. Bevorratung des erzeugten Prozeßgases, das jedoch nicht selber, sondern nur indirekt über eine Dampferzeugung aus der im Prozeßgas enthaltenen fühlbaren Wärme über eine Dampfturbine mit angekoppeltem Generator für die Erzeugung von elektrischer Energie verwendet wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, unter Beseitigung der geschilderten Nachteile ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Anlage anzugeben, mit welchen auf umweltfreundliche Art und Weise unter Einhaltung engster Emissionsnormen elektrische Energie durch elektrochemische Umwandlung von Brennstoffen, insbesondere auch von stark schwefelhaltigen und heizwertarmen festen Brennstoffen wie z.B. Braunkohle, erzeugt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Dadurch, daß zunächst die Brennstoffe, die beispielsweise aus minderwertigen schwefelhaltigen Kohlen bestehen können, in einer feuerflüssigen Eisenschmelze zu einem nahezu schwefelfreien Prozeßgas mit Schwefelgehalten (SO2, H2S) von kleiner 100 ppm umgewandelt werden, tritt das Problem einer Schwefeldioxidemission aus großen Abgasmengen überhaupt nicht mehr störend auf. Ebenso wird eine Korrosion von korrodierbaren Bauteilen der Anlage durch saure Kondensate erheblich vermindert, so daß billigere Baumaterialien verwendet werden können. Die schwefelhaltige Schlacke aus dem Eisenbadreaktor wird aufgearbeitet, vom Schwefel befreit und zumindest teilweise in den Eisenbadreaktor rückgeführt.
Durch die gesamte Umwandlung der im Prozeßgas enthaltenen chemisch gespeicherten Energie direkt in elektrische Energie - ohne den Umweg über eine Dampferzeugung - in einer aus modernen Bauteilen bestehenden Hochtemperatur-Brennstoffenzellen- Batterie und/oder einer Gasturbine mit angekoppeltem Generator wird ein Stromerzeugungsverfahren aufgezeigt, das unter Einhaltung engster Emissionsnormen die Erzeugung von elektrischer Energie mit einem hohen Wirkungsgrad von ca. 49% ermöglicht. Eine Verstromung des Energieinhaltes des Prozeßgases in einer Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie ergibt eine erhebliche Wirkungsgraderhöhung gegenüber dem Carnot-Prozeß. Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades wird durch die Ausnutzung des Restenergieinhaltes (chemische und innere Energie) der gasförmigen Reaktionsprodukte in einem nachfolgenden kombinierten Gas/Dampf-Turbinen- Prozeß erzielt.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Prozeßgas nach Verlassen des Eisenbadreaktors entstaubt und abgekühlt wird, wobei zumindest ein Teil der aus dem Prozeßgas abgeführten Wärmeenergie über eine Dampferzeugung zur Verdichtung des Prozeßgases verwendet wird. Für den Einsatz des Prozeßgases in der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie und für die Handhabung des Prozeßgases ist es erforderlich, daß das Prozeßgas abgekühlt wird. Dieses erfolgt in einer kombinierten Abhitzekessel-Entstaubungsanlage. Hierbei wird das Prozeßgas von Staubpartikeln befreit und stark abgekühlt. Mit der im Prozeßgas enthaltenen fühlbaren Wärme wird auf vorteilhafte Weise eine Dampfturbinen-Verdichterstation betrieben, in der das abgekühlte staubfreie Prozeßgas auf den für den Einsatz in der Hochtemperatur-Brennstoffzellen- Batterie erforderlichen Druck von beispielsweise 35 bar verdichtet wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Umwandlung des Prozeßgases in elektrische Energie zweistufe erfolgt, wobei das Prozeßgas in der ersten Stufe unter Zuführung eines Sauerstoffträgers in der Hochtemperatur- Brennstoffzellen-Batterie unter Freisetzung elektrischer Energie oxidiert wird und das dabei erzeugte, unter Überdruck stehende heiße Abgas in einer zweiten Stufe einem Gas- Dampfturbinen-Prozeß zugeführt und hierbei mittels eines angekoppelten Generators ebenfalls in elektrische Energie umgewandelt wird. Bei der Umwandlung des verdichteten Prozeßgases mit Verbrennungsluft in der ersten Umwandlungsstufe, nämlich der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie in elektrische Energie wird ein ca. 1000°C heißes, unter einem Druch von ca. 20 bar stehendes Abgas freigesetzt, das neben dem CO2- und H2O-Anteilen noch Restbestandteile von CO und H2 enthält. Dieses heiße Abgas wird in der zweiten Umwandlungsstufe, dem kombinierten Gas-Dampfturbinen-Prozeß ebenfalls ausgenutzt. Das Abgas wird in einer Gasturbine, die mit einem Generator in Verbindung steht, nachverbrannt und die im Abgas enthaltene fühlbare Wärme wird zur Dampferzeugung verwendet und in einer ebenfalls mit dem Generator gekoppelten Dampfturbine für die Erzeugung von elektrischer Energie verwendet, so daß auf größstmögliche Weise die im Prozeßgas enthaltene chemische und physikalische Energie bzw. fühlbare Wärme in die Stromerzeugung einfließt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die in die Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie eingeleiteten Reaktionsgase, das gewonnene Prozeßgas und Verbrennungsluft, mittels der bei der ersten Umwandlungsstufe des Prozeßgases in der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie entstehenden heißen Abluft vorgewärmt werden. Da die der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie zugeführte Verbrennungsluft aufgrund der Wärmetönung im Überschuß angeboten werden muß und nicht vollständig für die Verbrennung des Prozeßgases aufgebraucht wird, wird weiterhin ein ca. 1000°C heißer, unter Druck von etwa 20 bar stehender Abluftstrom freigesetzt, der auf vorteilhafte Weise für die Wiederaufwärmung bzw. Vorwärmung auf etwa 700°C des abgekühlten verdichtenen Prozeßgases und für die Vorwärmung auf etwa 700°C der für die Umsetzung der in der Hochtemperatur-Brennstoffzellen- Batterie erforderlichen Verbrennungsluft Verwendung findet. Die nach Abgabe eines Teils ihrer fühlbaren Wärme heruntergekühlte Abluft wird über eine Turbine geführt und von etwa 20 bar auf Atmosphärendruck entspannt. Die dabei gewonnene Arbeit wird sehr vorteilhaft einem Verdichtungsprozeß zugeführt, mittels welchem die für die Umsetzung des Prozeßgases in der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie erforderliche Verbrennungsluft auf einen Druck von etwa 20 bar verdichtet wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die bei der ersten Umwandlungsstufe des Prozeßgases in der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie erzeugte unter Überdruck stehende Abluft in einer mit einem Verdichter gekoppelten Turbine entspannt wird, und mittels der freiwerdenden Arbeit in dem angekoppelten Verdichter die für die erste Umwandlungsstufe des Prozeßgases in der Hochtemperatur- Brennstoffzellen-Batterie benötigte Verbrennungsluft verdichtet wird. Bei der Umsetzung des Prozeßgases in der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie wird heiße unter Druck stehende Verbrennungsluft im Überschuß benötigt. Die aus der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie abströmende sauerstoffverarmte Abluft beinhaltet gebundende physikalische Energie, die auf vorteilhafte Weise ausgenutzt und dem Gesamtprozeß dadurch erhalten bleibt, daß mit dieser heißen Abluft über eine Turbine und gegebenenfalls einem Zusatzmotor ein Verdichter betrieben wird, mit dem die der Hochtemperatur- Brennstoffzellen-Batterie zugeführte benötigte Verbrennungsluft auf den erforderlichen Druck von ca. 20 bar verdichtet wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Erzeugung, Entstaubung, Abkühlung und/oder Verstromung im Stromerzeugungsaggregat des Prozeßgases bei einem Druckniveau von 1 bis 35 bar, vorzugsweise bei 20 bar durchgeführt wird. Die Erzeugung des Prozeßgases in einem unter Überdruck stehenden Eisenbadreaktor ermöglicht für gleiche Reaktorgrößen sehr vorteilhaft höhere Umsetzungsmengen an eingesetztem Brennstoff pro Zeiteinheit. Da auch in der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie ein Betriebsdruck von beispielsweise 20 bar erforderlich ist, kann sehr vorteilhaft die Verdichtung des Prozeßgases entfallen, wenn auch die Entstaubung und Abkühlung des Prozeßgases bei einem Druckniveau von 1 bis 35 bar, vorzugsweise bei 20 bar durchgeführt wird.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird vorrichtungsmäßig durch eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens mit dem kennzeichnenden Merkmalen des Vorrichtungshauptanspruches 7 gelöst. Eine Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie gestattet es, auf moderne Art und elektrochemische Weise, aus einem brennbare Bestandteile wie CO und H2 enthaltenden Prozeßgas direkt elektrische Energie zu erzeugen. Die Funktionen von Hochtemperatur-Brennstoffzellen sind z.B. in der Literaturstelle "Elektrochemische Energietechnik - Entwicklungsstand und Aussichten" in einem Artikel von F.J. Rohr über "Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit Zirkonoxid- Festelektrolyten" auf den Seiten 264 und 279, 1981, Herausgeber: Der Bundesminister für Forschung und Technologie, beschrieben worden.
Auf konventionelle Weise kann das Prozeßgas jedoch auch mit Verbrennungsluft in einer Gasturbine verbrannt werden, oder über den Weg der Dampferzeugung durch die Verbrennungswärme des Prozeßgases in elektrische Energie umgewandelt werden, wobei die Gas- und/oder Dampfturbine einen Generator antreibt.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnung nur schematisch in Form eines Schaltbildes dargestellt ist, näher erläutert, aus dem weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile zu entnehmen sind.
In der Zeichnung ist mit 1 ein Eisenbadreaktor dargestellt, der bezüglich des Prozeßgasstromes über Gasleitungen 2, 3, 4, 5 und 6 mit wenigstens einem Stromerzeugungsaggregat in Verbindung steht, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einer Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie 7 besteht. Die HT-Brennstoffzelle hat bei 1000°C, 20 bar und 100%-iger CO-Atmosphäre einen theoretisch reversiblen Wirkungsgrad von 68%. Anstelle der Hochtemperatur-Brennstoffzellen- Batterie 7 kann ebenso auch eine mit einem Generator gekoppelte Gasturbine und/oder Dampfturbine vorgesehen sein. Sehr vorteilhaft als Stromerzeugungsaggregat ist eine Koppelung der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie 7 mit einer kombinierten Gas-Dampfturbine 8 über eine Gasleitung 9. Hierbei wird die im Prozeßgas enthaltene chemische und physikalische Energie optimal ausgenutzt, wobei das aus der Hochtempertur-Brennstoffzellen-Batterie 7 austretende heiße Abgas ebenfalls zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet wird. In Strömungsrichtung des Prozeßgases ist dem Eisenbadreaktor 1, verbunden durch die Gasleitung 2 und die Dampfleitung 10 direkt eine kombinierte Dampferzeuger-Entstaubungsanlage 11 nachgeschaltet. Die kombinierte Dampferzeuger- Entstaubungsanlage 11 steht über die Gasleitungen 3, 4, 5 und 6 mit der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie 7 und/oder einer Gasturbine mit angekoppeltem Generator in Verbindung, welche vorzugsweise als kombinierte Gas-Dampfturbine 8 ausgebildet ist. Der Eisenbadreaktor 1 weist weiterhin eine Leitung 12 zur Zuführung der Zuschläge, eine Leitung 13 zur Zuführung der zu vergasenden Brennstoffe, eine Leitung 14 für die Zuführung von Treibgas bzw. Transportgas für die Brennstoffe und eine Leitung 15 für die Zuführung des Vergasungsmediums, beispielsweise Sauerstoff auf. Zur Abführung von Schlacke ist an den Eisenbadreaktor 1 weiterhin eine Leitung 16 angeschlossen.
Über die Leitung 2 ist dem Eisenbadreaktor 1 die Dampferzeuger- Entstaubungsvorrichtung 11 nachgeordnet. Der hierin abgeschiedene Staub wird über eine Leitung 17 abgeführt und kann dem Brennstoff oder den Zuschlägen zugemischt werden und über Leitung 13 oder Leitung 12 wieder in den Eisenbadreaktor 1 eingetragen werden. Weiterhin ist an die Dampferzeuger- Entstaubungsanlage 11 eine Zuführungsleitung 18 mit Pumpe 19 für Wasser zur Kühlung des Prozeßgases und zur Dampferzeugung angeschlossen. Der erzeugte Dampf wird über die Leitung 10 in den Eisenbadreaktor 1 eingeführt. An die Dampferzeuger-Entstaubungsanlage 11 ist andererseits auch in einem geschlossenen Kreislauf eine Leitung 20 für Wasser bzw. Dampf angeschlossen. Mit einer Pumpe 21 wird über die Leitung 20 Wasser zur Kühlung des Prozeßgases und zur Dampfbildung eingepumpt. Die Leitung 20 wird über eine Turbine 22 und ein Kühlaggregat 23 wieder in die Dampferzeuger-Entstaubungsanlage 11 zurückgeführt. Die Turbine 22 ist mit einem Verdichter 24 und gegebenenfalls einem Kleingenerator 25 gekoppelt. An die Turbine 22 ist eingangsseitig die Leitung 3 mit dem gekühltem Prozeßgas und ausgangsseitig die Leitung 4 zur Weiterleitung des nunmehr verdichteten Prozeßgases angeschlossen. Die Leitung 4 steht mit den Leitungen 5 und 14 in Verbindung, wobei ein Teilgasstrom des verdichteten Prozeßgases als Treib- bzw. Transportgas für den zu vergasenden Brennstoff und/oder die Zuschläge verwendet und in den Eisenbadreaktor 1 eingedüst wird, während der Hauptstrom des auf etwa 20 bar verdichteten Prozeßgases über einen Wärmetauscher 26 und eine Leitung 6 in die Hochtemperatur- Brennstoffzellen-Batterie 7 für das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie eingeführt wird.
Der Wärmetauscher 26 steht weiterhin über die Leitung 27 mit der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie 7 und über eine Leitung 28 mit einem weiteren Wärmetauscher 29 in Verbindung. Der Wärmetauscher 29 steht über eine Leitung 30 ebenfalls mit der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie 7 und über eine Leitung 31 mit einem Verdichter 32 in Verbindung, an den eingangsseitig eine Luftleitung 33 angeschlossen ist. Der Verdichter 32 ist mit einer Turbine 34 und einem Hilfsmotor 35 gekoppelt. An die Turbine 34 ist eingangsseitig eine mit dem Wärmetauscher 29 in Verbindung stehende Leitung 36 und ausgangsseitig eine Abluftleitung 37 angeschlossen. Die über die Abgasleitung 9 mit der Hochtemperatur-Brennstoffzellen- Batterie 7 verbundene kombinierte Gas-Dampfturbinenanlage 8 weist eine Zuführungsleitung 38 für Verbrennungsluft und eine Leitung 39 zur Abführung der Verbrennungsabgase auf.
Das dem Eisenbadreaktor 1 über Leitung 15 zugeführte Vergasungsmittel, im wesentlichen Sauerstoff, wird in einer Luftzerlegungsanlage 40 erzeugt, die über die Leitung 15 an den Eisenbadreaktor 1 angeschlossen ist. Daneben weist die Luftzerlegungsanlage 40 eine Luftzuführungsleitung 41 und eine Leitung 42 zur Abführung des abgetrennten Stickstoffs auf. In dem dargestellten beispielhaften Schaltbild der Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie sind mit den gestrichelt gezeichneten Pfeilen 43, 44, 45, 46 und 47 zu- bzw. abgeführte elektrische Energieströme und mit den gestrichelt gezeichneten Pfeilen 48, 49, 50, 51, 52 und 53 zu- bzw. abgeführte Wärmeströme bezeichnet.
Ausführungsbeispiel:
Die Funktion der Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie wird anhand eines Ausführungsbeispiels für einen Eisenbadreaktor 1 mit einer 20 Tonnen/Eisenschmelze erläutert. In die feuerflüssige Eisenschmelze mit einer Temperatur von ca. 1400°C werden mittels eines Transportgasstromes von 12,4 mol/s aus der Leitung 14 die Brennstoffe, hier eine Anthrazitkohle (C: 85%, H: 2,6%, O: 3,1%, N: 1,0%, S: 0,8%; Hu: 30685 kJ/kg), zugeführt über die Leitung 13 in einem Mengenstrom von 10 t/h, und die Zuschläge, in diesem Fall CaCO3, zugeführt in einem Mengenstrom von 2,4 t/h über die Leitung 12, unterhalb des Badspiegels der Eisenschmelze durch die Seitenwandung oder den Boden des Eisenbadreaktors 1 eingeblasen. Als Vergasungsmittel werden über die Leitung 15 ca. 76,6 mol/s technischer Sauerstoff (99% O2) und über die Leitung 10 ca, 17,2 mol/s Dampf mit jeweils einem Druck von 20 bar und einer Temperatur von 150°C in den Eisenbadreaktor 1 eingedüst.
Im Eisenbadreaktor 1 wird bei einem Überdruck von etwa 3 bar ein nahezu völlig schwefelfreies Prozeßgas mit Schwefelanteilen kleiner 20 ppm (1 ppm = 10-6 = 10-4%) erzeugt. Die in der eingesetzten Kohle - diese kann auch Braunkohle oder minderwertige schwefelreiche Steinkohle sein - enthaltenen Schwefelkomponenten werden vollständig in der Schlacke abgebunden, die kontinuierlich oder periodisch in einer Menge von ca. 2,2 t/h aus dem Eisenbadreaktor 1 abgezogen wird. Das etwa 1400°C heiße Prozeßgas, bestehend aus 77,4 mol-% CO und 21,8 mol-% H2 wird in einem Gasmengenstrom von 261,8 mol/s über die Leitung 2 in die Dampferzeuger-Entstaubungsanlage 11 geleitet und hier abgekühlt und entstaubt. Der abgeschiedene Staub, etwa 0,5 t/h, wird über die Leitung 17 abgezogen und kann wahlweise den Zuschlägen oder dem Brennstoff beigemischt und somit wieder in den Eisenbadreaktor 1 rückgeführt werden. Als Kühlmedium wird der Dampferzeuger- Enstaubungsanlage 11 zum einen über die Leitung 18 mittels der Pumpe 19 eine Wassermenge von 17,2 mol/s zugeführt. Diese Wassermenge wird in Dampf umgewandelt, der wie bereits erwähnt mit einer Temperatur von etwa 150°C und einem Druck von 20 bar über die Leitung 10 als Vergasungsmittel in den Eisenbadreaktor 1 eingeführt wird.
Zur vollständigen Abkühlung des Prozeßgases wird über die Leitung 20 ein weiteres Kühlmedium durch die Dampferzeuger- Entstaubungsanlage 11 geleitet. Dieses Kühlmedium, z.B. Wasser, wird durch die im Prozeßgas enthaltene Wärme in die Dampfphase überführt, über die Turbine 22 geführt und dabei entspannt, im weiteren Kreislauf der Leitung 20 in dem Kühlaggregat 23 abgekühlt, in die flüssige Phase rücküberführt und mittels der Pumpe 21 wieder in die Dampferzeuger-Entstaubungsanlage 11 eingeleitet.
Das in der Dampferzeuger-Entstaubungsanlage 11 herabgekühlte Prozeßgas wird in der Leitung 3 über den mittels der Turbine 22 angetriebenen Verdichter geführt und auf einen Druck von ca. 20 bar verdichtet. Durch die Turbine 22 wird ebenfalls der Generator 25 angetrieben, der gemäß Pfeil 44 eine elektrische Leistung von ca. 0,4 MW abgibt. Von dem Verdichter 24 muß mittels Kühlung gemäß Pfeil 50 ein Wärmestrom von ca. 1,8 MW abgeführt werden.
Von dem auf einen Druck von ca. 20 bar verdichteten und nunmehr 150°C heißen Prozeßgas wird, wie bereits zuvor erwähnt, ein Teilstrom von etwa 12,5 mol/s aus der Leitung 4 abgezweigt und über die Leitung 14 als Treib- bzw. Transportgas für den Brennstoff in den Eisenbadreaktor 1 verwendet.
Das verdichtete Prozeßgas wird über die Leitungen 4 und 5 in einem Mengenstrom von 249,4 mol/s über den Wärmetauscher 26 geführt, in dem es auf eine Temperatur von ca. 700°C aufgeheizt wird, und durch die Leitung 6 in die Hochtemperatur- Brennstoffzellen-Batterie 7 eingespeist wird.
Die Verbrennung des Prozeßgases und Umsetzung der kalorischen Energie in elektrische Energie in der Hochtemperatur- Brennstoffzellen-Batterie 7 erfolgt bei einem Druck von 20 bar und einer Temperatur von ca. 1000°C. Dafür ist ein ausreichendes Verbrennungsluftangebot erforderlich. Diese Verbrennungsluft wird von dem Verdichter 32 über die Leitung 33 in einer Menge von 1962 mol/s angezogen und auf 20 bar verdichtet. Dabei steigt die Temperatur von Raumtemperatur auf etwa 150°C an. Eine weitere Vorwärmung der Verbrennungsluft auf eine Temperatur von 700°C erfolgt auf vorteilhafte Weise in dem Wärmetauscher 29. Über die Leitung 30 wird die vorgewärmte Verbrennungsluft in die Hochtemperatur- Brennstoffzellen-Batterie 7 eingeleitet.
Durch die Umsetzung des Prozeßgases wird in der Hochtemperatur- Brennstoffzellen-Batterie 7 gemäß der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe, eine elektrische Energie von 39,3 MW frei, die über die Leitung bzw. den Pfeil 46 beliebigen Verbrauchern bzw. einem Netz zugeführt wird. Aus der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie 7 wird die überschüssige Verbrennungluft (16% O2, 84% N2) mit einem Druck von 20 bar, einer Temperatur von 1000°C und in einem Mengenstrom von 1851 mol/s über die Leitung 27 abgeleitet und über den Wärmetauscher 26 geführt, in welchem auf vorteilhafte Weise das zuströmende Prozeßgas durch die in der Abluft gespeicherte Wärmeenergie auf ca. 700°C vorgewärmt wird. Dabei wird die heiße Abluft von etwa 1000°C auf ca. 930°C herabgekühlt und über die Leitung 28 weiter in den Wärmetauscher 29 geführt. Hierin wird die noch in der heißen Abluft enthaltene Wärmeenergie zur Aufheizung der verdichteten Verbrennungsluft verwendet, wonach die Abluft mit einer Temperatur von etwa 365°C über die Leitung 36 in die Turbine 34 geführt wird und diese antreibt. Dabei entspannt sich die Abluft auf Normaldruck und wird mit einer Temperatur von ca. 44°C über die Leitung 37 in die Atmosphäre abgegeben.
Zur Unterstützung der Turbine 34 kann, um den Verdichter 32 anzutreiben, ein Hilfsmotor 35 erforderlich sein, dem gemäß Pfeil 35 eine elektrische Energie von 3,3 MW zugeführt werden muß. Bei der Umsetzung des Prozeßgases in der Hochtemperatur- Brennstoffzellen-Batterie 7 wird weiterhin ein Abgas mit einem Druck von 20 bar und einer Temperatur von 1000°C freigesetzt und über die Leitung 9 der kombinierten Gas- Dampfturbine 8 zugeführt. Dieses Abgas in einer Menge 249,4 mol/s enthält neben den Verbrennungsrückständen CO2 ca. 69,66% und H2O ca. 19,62% noch Anteile von den energieenthaltenden Komponenten CO ca. 7,74% und H2 ca. 2,18%. Unter Zuführung von Luft in einem Mengenstrom von 58,9 mol/s über die Leitung 38 wird in der kombinierten Gas- Dampfturbine 8 mittels eines nicht dargestellten angekoppelten Generators durch Nachverbrennung des aus der Hochtemperatur- Brennstoffzellen-Batterie 7 abgegebenen Gases und nachfolgender Dampferzeugung mit Ausnutzung in einer Dampfturbine ebenfalls elektrische Energie in einer Menge von ca. 8,2 MW erzeugt, die über den Pfeil 47 abgegeben wird. Über die Leitung 39 wird aus der kombinierten Gas-Dampfturbine 8 ein Abgas (73, 77% CO2; 20,8% H2O; 5,5%N2) und gemäß Pfeil 48 eine Verlustwärme von 9,6 MW abgeführt. Als Vergasungsmittel für den Brennstoff im Eisenbadreaktor 1 wird neben Dampf auch Sauerstoff eingesetzt. Dieser erforderliche Sauerstoff wird in einer Luftzerlegungsanlage 40 erzeugt. Hierzu wird in die Luftzerlegungsanlage 40 über die Leitung 41 eine Luftmenge von 364,6 mol/s und gemäß Pfeil 43 eine elektrische Energie von 2,8 MW eingeführt. Nach der Luftzerlegung wird über Leitung 15 das Vergasungsmittel Sauerstoff in einer Menge von 76,6 mol/s aus der Luftzerlegungsanlage 40 mit einem Druck von 10 bar in den Eisenbadreaktor 1 eingespeist. Über Leitung 42 wird der abgespaltene Stickstoff in einer Menge von 288 mol/s aus der Luftzerlegungsanlage abgeführt und kann einer beliebigen Verwendung, z.B. als Inertisierungsmittel, Kühlmedium oder Treibgas zugeführt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einem über die Vergasung von Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoffen enthaltenden Brennstoffen unter Anwesenheit von sauerstoffenthaltenden Vergasungmedien und gegebenenfalls Schlackenbildnern in einer feuerflüssigen Eisenschmelze gewonnenen Prozeßgas, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas einem Stromerzeugungsaggregat, insbesondere einer Hochtemperatur- Brennstoffzellen-Batterie und/oder einer Gasturbine mit angekoppeltem Generator, zugeführt wird, worin es verbrannt und im wesentlichen in elektrische Energie und schadstoffarmes Abgas umgewandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas nach Verlassen des Eisenbadreaktors entstaubt und abgekühlt wird, wobei zumindest ein Teil der aus dem Prozeßgas abgeführten Wärmeenergie über eine Dampferzeugung zur Verdichtung des Prozeßgases verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung des Prozeßgases in elektrische Energie zweistufig erfolgt, wobei das Prozeßgas in der ersten Stufe unter Zuführung eines Sauerstoffträgers in der Hochtemperatur- Brennstoffzellen-Batterie unter Freisetzung elektrischer Energie oxidiert wird und das dabei erzeugte, unter Überdruck stehende heiße Abgas in einer zweiten Stufe einem Gas-/Dampfturbinenprozeß zugeführt und hierbei mittels eines angekoppelten Generators ebenfalls in elektrische Energie umgewandelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Hochtemperatur-Brennstoffzellen- Batterie eingeleiteten Reaktionsgase, das gewonnene Prozeßgas und Verbrennungsluft, mittels der bei der ersten Umwandlungsstufe des Prozeßgases in der Hochtemperatur-Brennstoffzellen- Batterie entstehenden heißen Abluft vorgewärmt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der ersten Umwandlungsstufe des Prozeßgases in der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie erzeugte unter Überdruck stehende Abluft in einer mit einem Verdichter gekoppelten Turbine entspannt wird, und mittels der freiwerdenden Arbeit in dem angekoppelten Verdichter die für die erste Umwandlungsstufe des Prozeßgases in der Hochtemperatur- Brennstoffzelle benötigte Verbrennungsluft verdichtet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung, Entstaubung, Abkühlung und/oder Verstromung im Stromerzeugungsaggregat des Prozeßgases bei einem Druckniveau von 1 bis 35 bar, vorzugsweise bei 20 bar, durchgeführt wird.
7. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen gas- und druckdichten Eisenbadreaktor (1), der über Gasleitungen (2, 3, 4, 5, 6) mit wenigstens einem Stromerzeugungsaggregat in Verbindung steht, das insbesondere aus einer Hochtemperatur- Brennstoffzellen-Batterie (7) und/oder einer mit einem Generator gekoppelten Gasturbine (8) besteht.
8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eisenbadreaktor (1) über Gasleitungen (2, 10) vorzugsweise eine kombinierte Dampferzeuger-Entstaubungsanlage (11) nachgeschaltet ist, die über Gasleitungen (3, 4, 5, 6) mit der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie (7) und/oder der Gasturbine (8) in Verbindung steht, wobei die mit einem Generator gekoppelte Gasturbine (8) als kombinierte Gas-/ Dampfturbine ausgebildet ist.
9. Anlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie (7) eine Abluftleitung (27) für heiße Abluft aufweist, über die zwei Wärmetauscher (26, 29) und eine Turbinen-Verdichterstation (34, 32) mit der Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Batterie (7) in Verbindung stehen.
10. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7, 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Hochtemperatur-Brennstoffzellen- Batterie (7) eine Verbrennungsluftleitung (30) aufweist, über die der Wärmetauscher (29) und die Turbinen- Verdichterstation (34, 32) mit der Hochtemperatur-Brennstoffzellen- Batterie (7) in Verbindung stehen.
DE19853523487 1985-07-01 1985-07-01 Verfahren und anlage zur erzeugung von elektrischer energie Withdrawn DE3523487A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19853523487 DE3523487A1 (de) 1985-07-01 1985-07-01 Verfahren und anlage zur erzeugung von elektrischer energie

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19853523487 DE3523487A1 (de) 1985-07-01 1985-07-01 Verfahren und anlage zur erzeugung von elektrischer energie

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE3523487A1 true DE3523487A1 (de) 1987-01-08

Family

ID=6274672

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19853523487 Withdrawn DE3523487A1 (de) 1985-07-01 1985-07-01 Verfahren und anlage zur erzeugung von elektrischer energie

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE3523487A1 (de)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3716297A1 (de) * 1987-05-15 1988-12-15 Erich Gerking Gasheizungs-brennstoffzellen-elektrowaermeversorgung "multi-mini-kraftwaermekopplung"
EP0333261A2 (de) * 1988-03-14 1989-09-20 Bruno Costa Verfahren und Anlage für die Erzeugung von elektrischer Energie und Gas für chemische Syntheseverfahren mittels Oxidation in geschmolzenen metallischen Bädern
EP0400701A1 (de) * 1989-05-29 1990-12-05 Turboconsult B.V. Methode und Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie
US5045112A (en) * 1988-02-08 1991-09-03 Northern States Power Company Cogeneration process for production of energy and iron materials, including steel
US5055131A (en) * 1987-08-31 1991-10-08 Northern States Power Company Cogeneration process for production of energy and iron materials
US5066325A (en) * 1987-08-31 1991-11-19 Northern States Power Company Cogeneration process for production of energy and iron materials, including steel
WO1992000614A1 (de) * 1990-07-02 1992-01-09 Siemens Aktiengesellschaft Brennstoffzellen-kraftwerk
DE10305075A1 (de) * 2003-02-07 2004-09-02 Airbus Deutschland Gmbh Verfahren zur Nutzung der Abwärme eines Brennstoffzellen-Reformers
DE102010018714A1 (de) * 2010-04-29 2011-11-03 Uwe Johänntgen Kraftwerkskonzept zur Verbindung der Verstromung von Prozessgasen mit den Anforderungen des Regelenergiemarktes (Verbundkraftwerk)
CN103937547A (zh) * 2014-04-23 2014-07-23 清华大学 依托固体氧化物电化学池的液态金属碳气化装置及方法

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3716297A1 (de) * 1987-05-15 1988-12-15 Erich Gerking Gasheizungs-brennstoffzellen-elektrowaermeversorgung "multi-mini-kraftwaermekopplung"
US5066325A (en) * 1987-08-31 1991-11-19 Northern States Power Company Cogeneration process for production of energy and iron materials, including steel
US5055131A (en) * 1987-08-31 1991-10-08 Northern States Power Company Cogeneration process for production of energy and iron materials
US5045112A (en) * 1988-02-08 1991-09-03 Northern States Power Company Cogeneration process for production of energy and iron materials, including steel
EP0333261A2 (de) * 1988-03-14 1989-09-20 Bruno Costa Verfahren und Anlage für die Erzeugung von elektrischer Energie und Gas für chemische Syntheseverfahren mittels Oxidation in geschmolzenen metallischen Bädern
EP0333261A3 (de) * 1988-03-14 1990-04-25 Bruno Costa Verfahren und Anlage für die Erzeugung von elektrischer Energie und Gas für chemische Syntheseverfahren mittels Oxidation in geschmolzenen metallischen Bädern
US5319925A (en) * 1989-05-28 1994-06-14 A.S.A. B.V. Installation for generating electrical energy
US5083425A (en) * 1989-05-29 1992-01-28 Turboconsult Power installation using fuel cells
EP0400701A1 (de) * 1989-05-29 1990-12-05 Turboconsult B.V. Methode und Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie
WO1992000614A1 (de) * 1990-07-02 1992-01-09 Siemens Aktiengesellschaft Brennstoffzellen-kraftwerk
DE10305075A1 (de) * 2003-02-07 2004-09-02 Airbus Deutschland Gmbh Verfahren zur Nutzung der Abwärme eines Brennstoffzellen-Reformers
DE102010018714A1 (de) * 2010-04-29 2011-11-03 Uwe Johänntgen Kraftwerkskonzept zur Verbindung der Verstromung von Prozessgasen mit den Anforderungen des Regelenergiemarktes (Verbundkraftwerk)
CN103937547A (zh) * 2014-04-23 2014-07-23 清华大学 依托固体氧化物电化学池的液态金属碳气化装置及方法
CN103937547B (zh) * 2014-04-23 2015-10-28 清华大学 依托固体氧化物电化学池的液态金属碳气化装置及方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0498289B1 (de) Verfahren zur Trocknung von Kohle für Einschmelz- bzw. Kohlevergaser
DE19940763B4 (de) Im kombinierten Zyklus arbeitender Energieerzeuger mit integrierter Kohlevergasung
EP0553125B1 (de) Verfahren und anlage zur kombinierten erzeugung elektrischer und mechanischer energie
EP0413199B1 (de) Verfahren zur Minderung des Kohlendioxidgehalts des Abgases eines Gas- und Dampfturbinenkraftwerks und danach arbeitendes Kraftwerk
DE3014292A1 (de) Verfahren zur energieerzeugung aus kohlenstoffhaltigen brennstoffen
DE69401975T2 (de) Teiloxidation für Energieversorgungssystem
DE3320228A1 (de) Kraftwerk mit einer integrierten kohlevergasungsanlage
DE3439487A1 (de) Energieguenstiges verfahren zur erzeugung von synthesegas mit einem hohen methangehalt
DE2429993A1 (de) Verfahren zum erzeugen elektrischer energie
GB2075124A (en) Integrated gasification-methanol synthesis-combined cycle plant
WO2015044407A1 (de) Verfahren und system zur speicherung von elektrischer energie
DE3523487A1 (de) Verfahren und anlage zur erzeugung von elektrischer energie
DE2400772C3 (de)
EP0159611B1 (de) Kraftwerk mit einem Hochtemperaturreaktor und einer Anlage zur Herstellung von Chemierohstoffen
WO2017050459A1 (de) Dampfturbinenkraftwerk mit wasserstoffverbrennung unter einbindung einer vergasungseinrichtung
DE2837988A1 (de) Kohlevergasung
DE102022113827A1 (de) Hybridkraftwerk mit co2-abscheidung
DE3913322A1 (de) Kombikraftwerk mit allothermer kohlevergasung und hochtemperatur-brennstoffzelle
EP0648919B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Gasen zum Betreiben einer Gasturbine in einem kombinierten Gas- und Dampfkraftwerk
WO1980000441A1 (en) Coal gasification
DE2710833A1 (de) Krack- oder reforming-verfahren fuer kohlenwasserstoffe und anlage zur durchfuehrung desselben
EP3789474A1 (de) Emissionsfreie vorrichtungen und verfahren zur verrichtung mechanischer arbeit und zur erzeugung von elektrischer und thermischer energie
DE3505157A1 (de) Verfahren zum erzeugen elektrischer energie in einem kombinierten gas- und dampfturbinenkraftwerk mit vorgeschalteter kohlevergasungsanlage
DE3405213A1 (de) Verfahren zur herstellung eines reinen, alkalifreien treibgases aus einem alkalihaltigen festen oder fluessigen brennstoff
JPS57199183A (en) Power generation with fuel cell and its equipment

Legal Events

Date Code Title Description
8139 Disposal/non-payment of the annual fee