DE3913322A1 - Kombikraftwerk mit allothermer kohlevergasung und hochtemperatur-brennstoffzelle - Google Patents

Description

Kombikraftwerke, bekannt auch unter den Bezeichnungen GuD-Kraftwerke oder Combined-Cycle, sind in der Vergangenheit in verschiedenen Konfi­ gurationen entwickelt worden. Allen Konfigurationen ist ein genereller Aufbau gemein, der als wesentliche Komponenten eine Kohlevergasung, eine Gasreinigung, eine Verbrennung des erzeugten Kohlegases in einer Brenn­ kammer, eine Entspannung der entstandenen Rauchgase in einer Gasturbine und einen Dampfkreislauf mit Dampfturbine zur Nutzung der Gasturbinen­ abwärme enthält. Darüber hinaus gibt es Konfigurationen, bei denen die Verbrennungsluft für die Gasturbinenbrennkammer in einer Nachfeuerung vorgewärmt wird. Diese Nachfeuerungen können mit der noch verbrennliche Bestandteile enthaltenden Asche bzw. Schlacke der Kohlevergasung oder mit frischer Kohle betrieben werden.

Die Kohlevergasung kann grundsätzlich autotherm oder allotherm betrie­ ben werden. Bei der autothermen Kohlevergasung wird die Wärme, die für die Vergasung der Kohle erforderlich ist, durch partielle Verbrennung der Kohle mittels eingebrachtem Oxidationsmittel, das können reiner Sauerstoff oder Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft sein, er­ zeugt. Bei der allothermen Kohlevergasung hingegen wird die erforder­ liche Wärme aus anderen Quellen bezogen und direkt oder indirekt in den Gaserzeuger eingekoppelt. Auf diese Weise kann auf das Oxidationsmittel verzichtet werden, die Vergasung der Kohle kann mit allein Wasserdampf als Vergasungsmittel erfolgen.

Die bisher bekannten Konzepte zur allothermen Kohlevergasung sehen die Erzeugung der erforderlichen Vergasungswärme in Kernreaktoren vor, von denen die Wärme über einen Heliumkreislauf in den Gaserzeuger transpor­ tiert wird. Sie sind außer zur Stromerzeugung besonders für die Erzeu­ gung von Synthesegas aus Kohle geeignet. Für den Fall, daß keine Kern­ reaktorwärme zur Verfügung steht, kann nach einem anderen Verfahrenskon­ zept ein Teil des erzeugten Rohgases verbrannt werden und die entstan­ dene Wärme mittels Rauchgas als Wärmeträger in den Gaserzeuger einge­ koppelt werden.

Ein neuer Weg zur sparsamen Stromerzeugung mittels integrierter, allo­ thermer Gaserzeugung bietet sich an, wenn man die Verbrennungsgasturbine austauscht gegen eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, und deren Abwärme in den Gaserzeuger zurückführt. Ein derartiges Verfahren wird im folgen­ den beschrieben (Fig. 1).

Als allothermer Kohlevergaser ist vorzugsweise ein Wirbelschichtvergaser mit eingetauchtem Heizkörper geeignet, wie er bereits verschiedentlich beschrieben und untersucht wurde, da hier die besten Wärmeübertragungs­ möglichkeiten gegeben sind. Kohle wird in geeigneter Körnung über ent­ sprechende Eintragsorgane in die Wirbelschicht eingetragen und bei Tem­ peraturen um 900°C vergast. Zur Beschleunigung der Vergasungsreaktion können ggf. Katalysatoren zugesetzt werden. Als Fluidisierungsmittel für die Wirbelschicht dient Rückführgas, das aus dem Brennstoffzellenabgas abgezweigt wird, und Dampf, der an verschiedenen Stellen des Prozesses gewonnen wird. Der Dampf dient gleichzeitig als Vergasungsmittel. Wäh­ rend Fluidisierungs- und Vergasungsmittel direkt in den Vergasungsraum eingeführt werden, wird ein Teil des Rauchgases aus der weiter unten be­ schriebenen Nachverbrennung als Recyclegas durch den eingetauchten Wär­ metauscher innerhalb des Gaserzeugers geleitet, um so einen evtl. noch fehlenden Wärmebedarf zu decken.

Bei der Vergasung entsteht ein Kohlegas, das als wesentliche Komponenten viel Wasserstoff neben Kohlenmonoxid und Kohlendioxid sowie Methan ent­ hält. Die genaue Zusammensetzung hängt von der Temperatur und dem Druck, unter denen die Vergasungsreaktion erfolgt, ab. In der der Gaserzeugung nachfolgenden Gasreinigung werden im wesentlichen Halogene, Ammoniak, Staub und Schwefelwasserstoff abgeschieden, wobei konventionelle Naßrei­ nigungsverfahren aber auch neuere Trockenreinigungsverfahren zum Einsatz kommen können. Die Reststoffe werden je nach ihrer Beschaffenheit aufbe­ reitet, deponiert und weiterverwertet.

Das Reingas aus der Gasreinigung wird in einer Hochtemperatur-Brenn­ stoffzelle auf elektrochemischem Wege umgesetzt. Als Brennstoffzellen sind die Schmelzkarbonat- (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) bzw. die Oxidkeramikzellen (Solid Oxid Fuel Cell, SOFC) geeignet, wobei der SOFC wegen ihrer hohen Abgastemperaturen von ca. 900-1000°C und der Mög­ lichkeit, sowohl Wasserstoff als auch Kohlenmonoxid elektrochemisch um­ zusetzen, der Vorzug zu geben wäre. In der Brennstoffzelle werden Gleichstrom, Abgase mit verbrennlichen Restbestandteilen und Abwärme er­ zeugt. Ein Teil des heißen Abgases kann zum Kohlevergaser als wärme­ transportierendes Recyclegas zurückgeführt werden, wobei dieses Gas wegen seines Restgehalts an aus der Kohlevergasung stammenden und in der Brennstoffzelle nicht umgesetzten Komponenten und an Sauerstoff direkt in die Gaserzeugung eingegeben werden kann (s.o.). Der nicht in die Ver­ gasung zurückgeführte Anteil wird einer Nachverbrennung zugeführt.

Erfahrungsgemäß erreicht man mit der Wirbelschichtvergasung bei den Ver­ gasungstemperaturen unterhalt 1000°C nur einen unvollständigen C-Um­ satz. Andererseits ermöglicht die niedrige Temperatur die Zugabe von Entschwefelungsagentien (vorzugsweise Kalkstein), so daß sich eine koh­ lenstoff- und calciumsulfidhaltige Asche bildet. Diese Asche ist in der anfallenden Form nicht deponierbar, sie hat aber noch einen ausreichen­ den Heizwert für eine Nachverbrennung. Aus diesem Grunde wird die Asche durch geeignete Maßnahmen, die an sich aus anderen Wirbelschichtverga­ sungsverfahren bekannt sind, auf eine für den Weitertransport geeignete Temperatur gekühlt und in eine Nachverbrennung eingegeben. Bei der Ab­ kühlung kann bereits Dampf erzeugt werden. Als Nachverbrennung dient vorzugsweise eine Druckwirbelschichtverbrennung, da hier die unter Druck stehenden Abgase der Brennstoffzelle ohne Entspannung eingebracht werden können. Mit der bei der Nachverbrennung anfallenden Wärme wird Dampf zum Betrieb eines Dampfkreislaufes erzeugt. Der Dampfkreislauf ist wie bei konventionellen Kraftwerken oder bei GuD-Kraftwerken mit einer Dampftur­ bine zur Wechselstromerzeugung ausgerüstet. Von dem heißen, unter Druck stehenden Rauchgas kann ein Teil zur Kohlevergasung zurückgeführt wer­ den (s.o.). Das restliche Abgas wie auch das zurückkehrende Recyclegas werden in einer Entspannungsturbine entspannt. Nit der Entspannungstur­ bine wird ein Kompressor betrieben, mit dem die für die druckaufgeladene Nachverbrennung und die Brennstoffzelle erforderliche Luft komprimiert wird. Die darüber hinaus verfügbare Entspannungsturbinenleistung wird zur Erzeugung von Wechselstrom genutzt. Mit der im Entspannungsgas evtl. noch enthaltenen nutzbaren Abwärme können Speisewasser oder Luft vorge­ wärmt werden.

Claims (10)

1. Kohle-Kombikraftwerk, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Brennstoffzelle erforderliche Kohlegas durch allotherme Kohlevergasung erzeugt wird.

2. Kohle-Kombikraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoffzelle eine Hochtemperatur-Oxidkeramik-Brenn­ stoffzelle (SOFC) verwendet wird.

3. Kohle-Kombikraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Teil des Brennstoffzellenabgases unter Druck zum Allotherm-Gaserzeuger zurückgeführt wird.

4. Kohle-Kombikraftwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Rückführgas als Wärmeträger von der Brennstoffzelle zum Gaserzeuger und zur Fluidisierung dient.

5. Kohle-Kombikraftwerk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das restliche Brennstoffzellenabgas, das noch brennbare Gasbestandteile und Überschußluft enthält, in einer Nachverbrennung verbrannt wird.

6. Kohle-Kombikraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Restkoks, evtl. mit Zusatzkohle, gemeinsam mit dem Brennstoffzellenabgas in einer Nachverbrennung verbrannt wird.

7. Kohle-Kombikraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Nachverbrennung eine druckaufgeladene Wirbelschicht benutzt wird.

8. Kohle-Kombikraftwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nachverbrennung der für die allotherme Vergasung erforderliche Dampf erzeugt wird.

9. Kohle-Kombrikraftwerk nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Teil der Nachverbrennungsabgase zum Wärme­ transport von der Nachverbrennung zum Allotherm-Gaserzeuger geführt wird.

10. Kohle-Kombikraftwerk nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase der druckauf­ geladenen Nachverbrennung in einer Gasturbine entspannt werden.