DE4230819A1

DE4230819A1 - Verfahren und vorrichtung zum vergasen von kohle

Info

Publication number: DE4230819A1
Application number: DE19924230819
Authority: DE
Inventors: Sadao Takahashi; Shuntaro Koyama; Norio Arashi; Yoshiki Noguchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-09-20
Filing date: 1992-09-15
Publication date: 1993-04-01
Anticipated expiration: 2012-09-16
Also published as: DE4230819C2; AU646755B2; AU2108592A; CA2076884A1; JPH0578671A; CA2076884C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vergasen von Kohle zur Bildung eines an Wasserstoff reichen brenn baren Gases aus Kohle, eine Vorrichtung zum Vergasen von Kohle und eine Anlage zur mit Kohlevergasung kombinierten Stromerzeugung.

Auf der Basis einer neueren Annahme, daß CO₂ ein Grund für einen irdischen Treibhauseffekt ist, wurden verschiedene Systeme zur Verwendung fossiler Brennstoffe vorgeschlagen.

Ein Verfahren zur Ausnutzung von Kohle ohne irgendeine Ab gabe von CO₂ an die Atmosphäre beim Verbrennen wurde von Meyer Steinberg als ein System vorgeschlagen, wie in Inter national Conference on Coal Science (IEA), 1059-1062 (1989) veröffentlicht wurde.

Das Verfahren sieht eine Vergasung von Kohle in einer Was serstoffatmosphäre bei einer hohen Temperatur und einem hohen Druck, dadurch Bildung von CH₄; die Zersetzung des CH₄ in C und ein H₂-Gas in einem Reaktionsbehälter unter Verwendung eines Katalysators bei einer hohen Temperatur und einem hohen Druck, wodurch einerseits ein H₂-Gas erhalten wird und man andererseits C als Ruß abführt, und die Ver wendung lediglich des H₂-Gases als Brennstoff vor.

Dieser vorstehend erwähnte Stand der Technik sieht ein Zwei stufensystem der zunächst erfolgenden Bildung von CH₄ und der thermischen Zersetzung des CH₄ in einem Reaktionsbe hälter unter Verwendung eines Katalysators bei einer hohen Temperatur und einem hohen Druck vor, wobei ein H₂-Gas nicht direkt aus Kohle erhalten wird. Daher werden zwei Reaktions behälter, d. h. eine Vergasungseinheit zur Bildung von CH₄ aus Kohle und eine Einheit zur Zersetzung von CH₄ in C und ein H₂-Gas benötigt, und der durch die Zersetzung von CH₄ gebildete Ruß ist in einer feinteiligen Form, so daß eine Technik zum Abtrennen und Wiedergewinnen des Rußes benötigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vergasen von Kohle, womit man ein H₂- reiches Gas mit weniger CO₂-Abgabe direkt aus Kohle bilden kann, und auch ein Verfahren und eine Anlage zur Stromer zeugung unter Ausnutzung des Vergasungsverfahrens zu ent wickeln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1, die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 11, das Verwendungsverfahren gemäß dem Patentanspruch 15 und die Anlagen gemäß den Patentansprüchen 16 und 17 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen 2 bis 10, 12 bis 14 und 18 beansprucht.

Wenn Kohle auf die Vergasungstemperatur in einem sauerstoff gasfreien Zustand erhitzt wird, kann ein an Wasserstoff sehr reiches Gas mit weniger CO und CO₂ erhalten werden.

Ein Sauerstoffgas kann entsprechend Beschränkungswerten von CO und CO₂ in dem durch die Kohlevergasung gebildeten Gas vorhanden sein. In diesem Fall ist es erwünscht, daß das Sauerstoffgas in einem solchen Bereich vorliegt, daß das Verhältnis zugeführten Sauerstoffs zur zugeführten Kohle gewichtsmäßig nicht mehr als 0,3 ist. Es ist zweckmäßig, Luft oder Sauerstoffgas zuzuführen.

Um die Menge gebildeten Sauerstoffs zu steigern, ist es möglich, die Kohle in einem feuchtigkeitsabsorbierten Zustand auf die Vergasungstemperatur zu erhitzen.

Die Vergasungstemperatur liegt zweckmäßig in einem Bereich von 1400 bis 1700°C. Eine noch höhere Vergasungstemperatur beeinträchtigt die Werkstoffe der Erhitzungseinheit.

Sobald die Kohle in der auf die Vergasungstemperatur er hitzten Atmosphäre 0,1 bis 1 Sekunde gehalten worden ist, führt man zweckmäßig das Vergasungsprodukt aus der Heiz atmosphäre ab und kühlt das Vergasungsprodukt auf eine niedrigere Temperatur als die Vergasungstemperatur ab.

Eine Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Vergasung von Kohle weist eine Heizeinrichtung zur Bildung einer auf eine Kohlevergasungstemperatur erhitzten Heiz atmosphäre und eine Kohlefördereinrichtung zum Fördern der Kohle zur Heizatmosphäre und zum Aussetzen der Kohle zur Heizatmosphäre für 0,1 bis 1 Sekunde auf.

Eine andere Ausführungsart weist eine Kohlefördereinrichtung zum Fördern von Kohleteilchen mit einem Temperaturanstieg von 10³ bis 10⁴°C/s und eine Heizeinrichtung zum Erhitzen der Kohleteilchen auf eine Vergasungstemperatur für 0,1 bis 1 Sekunde auf dem Weg der Förderung auf.

Die Vorrichtung kann ein Förderrohr mit zwei offenen Enden zum Fördern der Kohleteilchen von einem Ende zum anderen, eine Kohlefördereinrichtung zum Fördern der Kohleteilchen zum Förderrohr mit einem Temperaturanstieg von 10³ bis 10⁴°C/s und eine äußere Heizeinrichtung zum Erhitzen der durch das Förderrohr geförderten Kohleteilchen auf eine Vergasungstemperatur von außerhalb des Förderrohres für 0,1 bis 1 Sekunde aufweisen.

Vorzugsweise fördert man wenigstens einen Teil des durch Erhitzen der Kohle auf die Vergasungstemperatur gebildeten wasserstoffreichen Gases als Brennstoff zur Kohleerhitzungs einrichtung der Vorrichtung zur Kohlevergasung, wodurch ein Vergasungssystem mit weniger CO₂-Abgabe erhalten werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kohlevergasung in Kombi nation mit einer Stromerzeugung sieht vor, Kohle sehr rasch auf eine Vergasungstemperatur für eine kurze Zeit zu er hitzen, wodurch ein Sauerstoff als Hauptbestandteil enthal tendes brennbares Gas gebildet wird, das brennbare Gas als Brennstoff für die Kohlevergasung zu verbrennen und dann das Verbrennungsgas einer mit einem elektrischen Generator ge koppelten Gasturbine zuzuführen, wodurch elektrischer Strom erzeugt wird.

Zwei Ausführungsarten der erfindungsgemäßen Anlage zur Durchführung dieses Kohlevergasungsverfahrens in Kombination mit der Stromerzeugung sind in den Patentansprüchen 16 und 17 gekennzeichnet.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß aus Kohle se lektiv nur H-Atome freigemacht werden können, wenn man be stimmte Bedingungen, wie z. B. die Erhitzungstemperatur, die Erhitzungsgeschwindigkeit und die Erhitzungsdauer von Kohle teilchen bei der Pyrolyse von feuchtigkeitsfreier Kohle, Pyrolyse von feuchtigkeitshaltiger Kohle und Vergasung mit Sauerstoff auswählt.

Die Pyrolyse von Kohle erzeugt Gase, wie z. B. H₂, CO, CO₂, CH₄, C₂H₄, C₃H₈ usw., und Öle, wobei die Ausbeuten der Produkte von der Erhitzungstemperatur und der Erhitzungs dauer abhängen. Wie bekannt ist, sind die Ausbeuten von Ölen und C₂- sowie C₃-Kohlenwasserstoffgasen umso niedriger und die Ausbeute an H₂ umso höher, je höher die Erhitzungstempe ratur ist. Je länger andererseits die Erhitzungsdauer ist, umso größer ist die Menge der von der Kohle abgegebenen Gase, und die sekundäre Zersetzung der so gebildeten Gase und Öle wird unter Steigerung der Menge solcher Bestandteile wie CO, H₂ und CH₄ gefördert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden H-Atome in Kohle selektiv in ein H₂-Gas umgewandelt, indem man Kohle auf eine Vergasungstemperatur, vorzugsweise 1400°C oder höher bei einem Temperaturanstieg von 10³ bis 10⁴°C/s, erhitzt, die Kohle bei dieser Temperatur 0,1 bis 1 Sekunde hält und danach den Kohlerückstand und das Gas abkühlt.

Es scheint, daß dieser Vorgang auf Unterschiede in den Ab gabegeschwindigkeiten der einzelnen Atomarten bei der primä ren Zersetzung von Kohle, d. h. einer Pyrolyse bei einer hohen Temperatur für eine kurze Zeit zurückzuführen ist. Unter C-, H- und O-Atomarten der Kohle wird die H-Atomart als H₂-Moleküle zuerst abgegeben, und dann werden Kohlen wasserstoffe (CH₄, C₂H₄, C₃H₈ usw.), CO, CO₂ usw. abgegeben. Daher kann man eine Abgabe von CO und CO₂, die aufgrund ihrer Eigenschaft langsam abgegeben werden, verhindern, in dem man die Temperatur höher macht, wodurch die Ausbeute an H₂-Gas gesteigert wird, und die Pyrolysedauer kürzer macht.

Wenn feuchtigkeitshaltige Kohle bei einer Temperatur von 1400°C oder höher pyrolysiert wird, werden Dampf und flüch tige Stoffe abgegeben, und der Dampf reagiert mit C der Kohle unter Bildung eines H₂-Gases und von CO. Diese Reak tion hängt von der Erhitzungstemperatur und der Erhitzungs dauer ab. Bei einer höheren Erhitzungstemperatur geht die in den Kohleteilchen enthaltene Feuchtigkeit rasch in Dampf über, der mit C der Kohle reagiert, wenn der Dampf aus dem Inneren der Kohleteilchen abgegeben wird. Daher kann fast die gesamte in den Kohleteilchen enthaltene Feuchtigkeit mit C sogar bei einer so kurzen Pyrolysedauer wie unter 1 Se kunde reagieren. Die Menge des so gebildeten H₂-Gases ist also größer als der Gehalt an H-Atomen in der Kohle. Wenn Kohle andererseits in einem Zustand mit Sauerstoffzufuhr erhitzt wird, verringert sich die Ausbeute an H₂-Gas, während die CO- und CO₂-Ausbeuten steigen. Wenn das Ge wichtsverhältnis zugeführten Sauerstoffs zu zugeführter Kohle (das im weiteren als "Sauerstoffverhältnis" bezeichnet wird) nicht mehr als 0,3 ist, kann wenigstens 90% der Aus beute an H₂-Gas bei einem Sauerstoffverhältnis von Null (Pyrolyse) erhalten werden, und ein Anstieg der CO₂-Ausbeute ist sehr gering, während die an CO merklich anwächst. So liegt der Punkt der vorliegenden Erfindung im Vergasen von Kohle bei einer Temperatur von 1400°C oder höher, einem Temperaturanstieg von 10³ bis 10⁴°C/s und einem Sauerstoff verhältnis von 0 bis 0,3 für eine Zeitdauer von 0,1 bis 1 Sekunde und anschließenden Abkühlen der Vergasungsprodukte als Mittel zum Umwandeln von nahezu 100% der H-Atome in Kohle in ein H₂-Gas und zur Ermöglichung, daß fast die Gesamtmenge der in der Kohle enthaltenen Feuchtigkeit mit C reagiert.

Gründe für die Auswahl eines Temperaturanstiegs von 10³ bis 10⁴°C/s und einer Erhitzungstemperatur von 1400°C oder höher sind, die sekundäre Zersetzung flüchtiger Stoffe zu unter drücken, die Ausbeute an H₂-Gas für eine kurze Zeit zu stei gern und zu ermöglichen, daß fast die gesamte Menge der in der Kohle enthaltenen Feuchtigkeit mit C reagiert, wie oben erwähnt. Grund zum Einstellen des Sauerstoffverhältnisses in den oben erwähnten Bereich ist, die Ausbeuten an H₂-Gas und CO und CO₂ entsprechend einer Beschränkung der an die Atmo sphäre oder für Endzwecke abgegebenen CO₂-Menge zu ändern. Wenn die CO₂-Abgabebeschränkung gelockert ist, kann Sauer stoff zusätzlich zugeführt werden. Wenn ein Gas höherer H₂- Gaskonzentration, das im wesentlichen kein CO₂ enthält, be nötigt wird, ist ein Sauerstoffverhältnis von Null vorzu ziehen. Wenn es erwünscht ist, viel CO bei einer gewissen Verringerung der H₂-Gasausbeute und einer gewissen Erhöhung der CO₂-Ausbeute zu bilden, ist es zweckmäßig, zusätzlich eine geringe Menge von Sauerstoff zuzuführen. Bei einem Sauerstoffverhältnis von mehr als 0,3 wachsen die CO- und CO₂-Ausbeuten rasch an, und die Ausbeute an H₂-Gas wird be trächtlich verringert.

Im Vorstehenden wird Sauerstoff ggf. als ein Kohleverga sungsmittel verwendet, und Luft als ein sauerstoffhaltiges Gas kann die gleiche Wirkung wie oben liefern, indem man das Sauerstoffverhältnis in der zugeführten Luft zur zugeführten Kohle gewichtsmäßig in dem oben erwähnten Sauerstoffverhält nisbereich hält.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt eines Vergasungsofens zur Durchführung der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt des Befestigungsteils eines rohrförmigen Feuerfestkörpers in einem Verga sungsofen zur Ausführung der Erfindung;

Fig. 3 einen schematischen Flußplan eines kombinierten Kraftwerksystems mit Verwendung eines Kohlever gasungs-Produktgases als Heizbrennstoff für einen Vergasungsofen;

Fig. 4 einen schematischen Flußplan eines kombinierten Kraftwerksystems, das auch zur Erzeugung eines Einspeisungsgases für die chemische Synthese dient; und

Fig. 5 einen schematischen Flußplan eines kombinierten Kraftwerksystems mit Verwendung von CH₄ oder Erdgas als Heizbrennstoff für einen Vergasungs ofen.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau eines Vergasungsofens zur Ausführung der Erfindung zeigt. Ein Vegasungsofen 10 ist von solchem Aufbau, daß ein rohrför miger Feuerfestkörper 17 durch eine Ofenwand hindurch vor gesehen ist, die mit feuerfesten wärmeisolierenden Mate rialien 19 ausgekleidet ist, und eine Brennkammer 18 zwi schen den feuerfesten wärmeisolierenden Materialien 19 und dem rohrförmigen Feuerfestkörper 17 vorgesehen ist, wobei ein Brenner 14 und ein Verbrennungsgasauslaß 15 an der Ofen wand vorgesehen sind. Ein Brennstoff 2 zum Erhitzen des Ver gasungsofens und Luft 3 werden dem Brenner 14 zugeführt, um eine Flamme in der Brennkammer 18 zu bilden, wodurch der rohrförmige Feuerfestkörper 17 erhitzt wird, und Verbren nungsgas 11 wird durch den Verbrennungsgasauslaß 15 nach außerhalb des Ofens abgegeben. Da die Brennkammer 18 mit den feuerfesten wärmeisolierenden Materialien 19 umgeben ist, kann eine Wärmeabstrahlung nach außerhalb des Ofens ver mieden werden, und das Innere des rohrförmigen feuerfesten Körpers 17 kann ohne weiteres auf einer hohen Temperatur wie 1400°C oder höher gehalten werden. Kohleteilchen 1 und Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas 4 werden in den rohrförmigen Feuerfestkörper 17 durch ein Kohlezuführrohr 13 bei einem Sauerstoffverhältnis von 0 bis 0,3 eingeführt und durch eine Zone des rohrförmigen Feuerfestkörpers 17, dessen Innentemperatur 1400°C oder höher ist, für 0,1 bis 1 Sekunde geleitet, und Produktgase werden durch einen Produktgasaus laß 16 nach außerhalb des Ofens abgeführt.

Fig. 2 ist ein Querschnitt, der den Befestigungsteil des rohrförmigen Feuerfestkörpers 17 am Vergasungsofen zeigt. Die feuerfesten wärmeisolierenden Materialien 19, die den Stahlofenmantel 20 des Vergasungsofens 10 auskleiden, sind an der Außenseite des rohrförmigen Feuerfestkörpers 17 ange ordnet und mit einer Nut zum Einfügen eines Packungsmate rials darin an beiden Enden der feuerfesten wärmeisolieren den Materialien 19 versehen, ein hitzebeständiges Packungs material 23 ist in die Nut eingefügt, und ein metallischer Packungsring 22 ist auf dem Packungsmaterial 23 vorgesehen und an der Stahlofenwand 20 durch Bolzen 21 befestigt. Das hitzebeständige Packungsmaterial 23 wird in der Nut durch Festziehen der Bolzen 21 verformt, um den Spalt zwischen den feuerfesten wärmeisolierenden Materialien 19 und dem rohr förmigen Feuerfestkörper 17 abzudichten und einen Austritt des im rohrförmigen Feuerfestkörper 17 gebildeten Gases in die Brennkammer 18 oder einen Austritt des Verbrennungsgases in den rohrförmigen Feuerfestkörper 17 zu vermeiden.

Fig. 3 zeigt einen Aufbau eines kombinierten Stromerzeu gungssystems, das die Vergasung von Kohle in einem Verga sungsofen des oben erwähnten Aufbaus, die Verwendung der Produktgase als Brennstoff zum Erhitzen des Vergasungsofens und das Zuführen des Verbrennungsgases zu einer mit einem elektrischen Generator gekoppelten Gasturbine vorsieht, wodurch elektrischer Strom erzeugt wird, wobei durch Wärme rückgewinnung erhaltener Dampf einer mit einem elektrischen Generator gekoppelten Dampfturbine zugeführt wird, wodurch ebenfalls elektrischer Strom erzeugt wird, welcher elektri sche Generator in der Zeichnung nicht gezeigt ist.

Dieses System weist einen Vergasungsanlagenteil mit einem Vergasungsofen 10, einem Grobstaubentferner 30, einem Gas kühler 35, einem Feinstaubentferner 40 und einem Entschwef ler 50 und einen Kraftwerksanlagenteil mit einer mit einem elektrischen Generator gekoppelten Gasturbine 70 zur Erzeu gung elektrischen Stroms, wobei Verbrennungsgas 11 zum Er hitzen des Vergasungsofens 10 verwendet wird, einem Dampf erhitzer 80 zum Erhitzen von durch den Gaskühler 35 erfaßtem Dampf 82, einer mit einem elektrischen Generator gekoppelten Dampfturbine 90 zum Erzeugen elektrischen Stroms mit dem erhitzten Dampf und einem Kondensator 100 zum Erfassen des zur Stromerzeugung verwendeten Dampfs als Kühlwasser (wobei der elektrische Generator in der Zeichnung nicht dargestellt ist). Die Funktionen der einzelnen Einheiten sind folgende:

Der Vergasungsofen ist ein äußerlich beheizter Reaktionsbe hälter, in dem das Erhitzen mit der Verbrennungswärme des gereinigten Gases 51 durchgeführt wird, das durch Staubent fernung und Entschwefelung des im Vergasungsofen 10 gebilde ten Gases erhalten wird. Das gereinigte Gas 51 wird mit kom primierter Luft 3′ verbrannt, die durch Kompression atmo sphärischer Luft 3 durch einen Kompressor 71 erhalten wird, um das Innere des Vergasungsofens 10 auf einer Temperatur von 1400°C oder höher zu halten. Zur gleichen Zeit, wenn Kohleteilchen 1 dem Vergasungsofen 10 zugeführt werden, wird Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas 4 diesem in einem Sauerstoffverhältnis von 0 bis 0,3 zum Erhitzen für 0,1 bis 1 Sekunde zugeführt. Innerhalb des Vergasungsofens 10 läuft die Vergasung der Kohleteilchen 1 ab, wobei H der Kohle teilchen 1 in H₂-Gas überführt wird. Wenn die Kohleteilchen 1 Feuchtigkeit enthalten, reagiert fast die gesamte Menge der Feuchtigkeit mit C der Kohleteilchen 1 unter Bildung von H₂-Gas und CO. So ist das vom Vergasungsofen 10 austretende Produktgas 12 eine Gasmischung, die H₂-Gas als den Haupt bestandteil und CO enthält. Da das Produktgas 12 auf einer hohen Temperatur ist und viel unreagierte Kohlereste ent hält, wird grobkörniger Kohlerest 32 daraus durch einen Zyklon usw. des Grobstaubentferners 30 abgetrennt. Dann wird das vom grobkörnigen Kohlerest 32 befreite Produktgas 31 zum Gaskühler geleitet, durch den Kühlwasser 81 strömt, um die Temperatur des Produktgases zu senken und das Kühlwasser 81 als Dampf 82 zu erfassen.

Das gekühlte Produktgas 36 wird durch den Feinstaubentferner 40 geleitet, um feinkörnigen Kohlerest 42 abzutrennen und zu entfernen, und das vom Staub befreite Produktgas 41 wird dem Entschwefler 50 zugeführt, um daraus H₂S zu entfernen und ein gereinigtes Gas 51 zu erhalten. Das gereinigte Gas 51 wird als Heizbrennstoff für den Vergasungsofen 10 verwendet, und das Verbrennungsgas 11 wird der mit dem elektrischen Ge nerator gekoppelten Gasturbine zugeführt und zur Erzeugung elektrischen Stroms ausgenutzt. Nach der Stromerzeugung wird das Gas zum Dampferhitzer 80 geleitet, um Dampf 82, der im Gaskühler 35 erfaßt wurde, zu erhitzen, und dann als Abgas 72 abgeführt.

Andererseits wird der im Dampferhitzer 80 erhitzte Dampf der mit dem elektrischen Generator gekoppelten Dampfturbine 90 zur Erzeugung elektrischen Stroms zugeführt, und nach der Stromerzeugung wird der Dampf zum Kondensator 100 geleitet, um den Dampf als Wasser zu erfassen, und das erfaßte Wasser wird erneut als Kühlwasser 81 verwendet.

Im vorliegenden System enthalten der grobkörnige Kohlerest 32 und der feinkörnige Kohlerest 42, die im Grobstaubent ferner 30 bzw. im Feinstaubentferner 40 entfernt wurden, viel C, und daher werden die Kohlereste unterirdisch als Kohlerestmischung 43 vergraben und darin als künftige Brenn stoffreserve gespeichert. Ein Entschwefelungsmittel aus Me talloxid wird in den Entschwefler 50 eingefüllt und reagiert mit H₂S unter Bildung von Sulfiden. Die Sulfide werden in einen Entschwefelungsmittelerfassungstank 60 abgezogen und als verbrauchtes Entschwefelungsmittel 61 erfaßt.

Fig. 4 zeigt den Aufbau eines kombinierten Kraftwerksystems, das auch zur Erzeugung eines Einspeisungsgases für eine che- mische Synthese gemäß der Erfindung dient. In diesem System ist nur ein Unterschied im Aufbau von Fig. 3 darin zu sehen, daß das gereinigte Gas 51 nicht als Heizbrennstoff 2 für den Vergasungsofen 10 verwendet wird, sondern ein Heizbrennstoff von außerhalb des Vergasungsanlagensystems zugeführt wird, wobei die Gesamtmenge des gereinigten Gases 51 als Einspei sungsgas für eine chemische Synthese verwendet wird. In die sem Fall wird CH₄ mit weniger CO₂-Erzeugung bei der Verbren nung oder ein CH₄ als Hauptbestandteil enthaltendes Erdgas als Heizbrennstoff 2 für den Vergasungsofen 10 verwendet.

CH₄ oder ein Erdgas als der Heizbrennstoff 2 für den Verga sungsofen 10 wird mit komprimierter Luft 3′ verbrannt, um die Innentemperatur des Vergasungsofens 10 auf 1400°C oder höher zu steigern, und Kohleteilchen 1 und Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas 4 werden dem Vergasungsofen 10 mit einem Sauerstoffverhältnis von 0 bis 0,3 zugeführt, wobei eine H₂-Gas als Hauptbestandteil und CO enthaltende Gas mischung als das Produktgas 12 erhalten wird, wie oben er wähnt wurde. Das Produktgas 12 wird dem Grobstaubentferner 30, dem Gaskühler 35, dem Feinstaubentferner 40 und dem Ent schwefler 50 nacheinander zugeführt, um die unreagierten Feststoffe und H₂S aus dem Produktgas 12 einerseits zu ent fernen und Dampf 82 andererseits zu erfassen, und das so erhaltene gereinigte Gas 51 wird als Einspeisungsgas für eine chemische Synthese verwendet.

In diesem System wird das heiße, im Vergasungsofen 10 er hitzte Verbrennungsgas 11 der mit dem elektrischen Generator gekoppelten Gasturbine 70 zugeführt, um elektrischen Strom zu erzeugen, und nach der Stromerzeugung wird das Gas dem Dampferhitzer 80 zum Erhitzen des Dampfes 82 zugeführt und dann abgeleitet. Andererseits wird der erhitzte heiße Dampf in der mit dem elektrischen Generator gekoppelten Dampftur bine 90 zur Erzeugung elektrischen Stroms ausgenutzt, und nach der Stromerzeugung wird der Dampf zu Wasser im Konden sator 100 kondensiert und als das Kühlwasser 81 ausgenutzt.

Fig. 5 zeigt den Aufbau eines kombinierten Kraftwerksystems mit Verwendung von CH₄ oder von Erdgas als Heizbrennstoff für den Vergasungsofen. In diesem System sind die einzigen Unterschiede im Aufbau gegenüber den zuvor erwähnten Kraft werksystemen diejenigen, das Verbrennungsgas 11 von CH₄ oder Erdgas, die zum Erhitzen des Vergasungsofens 10 verwendet werden, der mit dem elektrischen Generator gekoppelten Gas turbine 70 einerseits zuzuführen und das von den Kohleteil chen 1 im Vergasungsofen 10 gebildete Gas 12 zum Grobstaub entferner 30, zum Gaskühler 35, zum Feinstaubentferner 40 und zum Entschwefler 50 zu leiten, um den grobkörnigen Koh lerest 32, den feinteiligen Kohlerest 42 und H₂S zu entfer nen, wodurch ein gereinigtes Gas erhalten wird, während andererseits Dampf 82 erfaßt wird, und das gereinigte Gas 51 in einen Gasturbinenbrenner 73 einzuführen, um darin mit einem Teil 3′′ der komprimierten Luft, die vom Kompressor 71 abgegeben wird, verbrannt zu werden, und das Verbrennungsgas der mit dem elektrischen Generator gekoppelten Gasturbine 70 zur Erzeugung elektrischen Stroms zuzuführen. In diesem System wird nach der Stromerzeugung in der mit dem elektri schen Generator gekoppelten Gasturbine 70 das Abgas dem Dampferhitzer 80 zugeführt und zum Erhitzen des Dampfes 82 ausgenutzt. Dampf wird zur Stromerzeugung in der mit dem elektrischen Generator gekoppelten Dampfturbine 90 ver wendet.

In diesem Kraftwerkssystem wird viel C enthaltender unrea gierter Kohlerest erfaßt, wie zuvor erwähnt, und der Koh lerest wird unterirdisch vergraben und als zukünftige Brenn stoffreserve gespeichert, bis eine Technik zum Abtrennen und Erfassen von CO₂ zur Verfügung steht. So wird empfohlen, diese abgegrenzte Kraftwerksanlage an Kohlebergwerkslagen zu errichten und die erfaßten unreagierten Kohlereste in die unterirdischen, durch Kohleabbau ausgehöhlten Hohlräume einzufüllen.

Beispiel 1

Die Erfindung wird im folgenden anhand tatsächlicher Kohle vergasungsergebnisse erläutert.

Kohleteilchen mit der folgenden Elementaranalyse (Gew.-%) ließ man Feuchtigkeit bis zu einem Feuchtigkeitsgehalt von 6,92 Gew.-% absorbieren:

C:\|65,65%
H:	5,00%
N:	1,35%
O:	15,49%
S:	0,10%
Asche:	12,41%

Mit den auf den genannten Feuchtigkeitsgehalt eingestellten Kohleteilchen wurden das vorliegende Kohlevergasungsverfah ren und das herkömmliche Kohlevergasungsverfahren in einem äußerlich beheizten Vergasungsofen unter den folgenden Be dingungen überprüft.

Im vorliegenden Verfahren wurde die Vergasung bei 1400°C und 1600°C mit einem Temperaturanstieg von 10³ bis 10⁴°C/s bei Sauerstoffverhältnissen von 0 und 0,3 für eine Erhitzungs zeit der Kohleteilchen von 0,185 Sekunden zur Erfassung der Ausbeuten an H₂-Gas, CO und CO₂ je g Kohle nach Abkühlung durchgeführt.

Beim herkömmlichen Verfahren wurde die Vergasung bei den gleichen Temperaturen wie denen des vorliegenden Verfahrens mit einem Temperaturanstieg von 10²°C/s bei einem Sauer stoffverhältnis von 0,9 für eine Erhitzungszeit der Kohle teilchen von 3 Sekunden, welche als die geeignetsten Ver gasungsbedingungen zu Erzeugung von CO als brennbarem Gas mit höchster Ausbeute betrachtet wurden, durchgeführt, um die Ausbeuten an H₂-Gas, CO und CO₂ je g Kohle zum Vergleich festzustellen. In beiden Verfahren war der Druck im Vergasungsofen der Atmosphärendruck.

Die Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der Gasausbeuten zwi schen dem vorliegenden Verfahren und dem herkömmlichen Ver fahren.

Tabelle 1

Ein Vergleich der H₂-Gasausbeute ergibt die folgenden Tatsa chen. Die theoretische H-Gasausbeute, wenn die Gesamtmenge der in den Kohleteilchen enthaltenen Feuchtigkeit mit C reagiert und die Gesamtmenge der H-Atome in den Kohleteil chen in H₂-Gas übergeht, ist 0,607 l/g. Die H₂-Gasausbeute bei einem Sauerstoffverhältnis von 0 ist 0,6 l/g bei einer Temperatur von 1400°C oder höher, und es wurde bestätigt, daß nicht nur H-Atome in den Kohleteilchen, sondern auch die darin enthaltene Feuchtigkeit fast vollständig mit C zur Bildung des H₂-Gases reagierten. Die H₂-Gasausbeute bei einem Sauerstoffverhältnis von 0,3 ist etwas geringer als die mit einem Sauerstoffverhältnis von 0, jedoch beträgt sie noch etwa 93% der H₂-Gasausbeute bei einem Sauerstoffver hältnis von 0, welcher Wert viel höher als der beim her kömmlichen Verfahren ist.

Ein Vergleich der CO₂-Ausbeute zeigt, daß die CO₂-Ausbeuten bei Sauerstoffverhältnissen von 0 und 0,3 beim vorliegenden Verfahren viel niedriger als die beim herkömmlichen Verfah ren sind, und es ist offensichtlich, daß das vorliegende Verfahren im wesentlichen kein CO₂ erzeugt.

Da die CO-Ausbeute mit steigender Menge zugeführten Sauer stoffs bis zu einem Sauerstoffverhältnis von etwa 0,9 wächst, sind die CO-Ausbeuten beim vorliegenden Verfahren mit Sauerstoffverhältnissen von 0 und 0,3 niedriger als die beim herkömmlichen Verfahren. Und zwar ist beim vorliegenden Verfahren die CO-Ausbeute bei der Kohlevergasung niedriger als die beim herkömmlichen Verfahren, jedoch ist die H₂-Gas ausbeute höher bei keiner wesentlichen Bildung von CO₂. So kann, wenn das durch Kohlevergasung mittels des vorliegenden Verfahrens erhaltene Produktgas als Heizbrennstoff verwendet wird, die CO₂-Menge im Verbrennungsgas viel mehr verringert werden, als wenn das nach dem herkömmlichen Verfahren erhal tene Produktgas verbrannt wird, und so ist das vorliegende Verfahren ein wirkungsvolles Kohlevergasungsverfahren, wenn der terrestrische Treibhauseffekt in Betrachtung gezogen wird.

Beispiel 2

Kohlen mit der folgenden Zusammensetzung ließ man Feuchtig keit bis zu einem Feuchtigkeitsgehalt von 5,15% absorbie ren, und sie wurden unter den gleichen Vergasungsbedingungen wie im Beispiel 1 vergast; die Ergebnisse der Gasausbeuten beim vorliegenden Verfahren und beim herkömmlichen Verfahren sind in der Tabelle 2 gezeigt.

C:\|66,12%
H:	5,41%
N:	0,87%
O:	16,48%
S:	0,20%
Asche:	10,92%

Tabelle 2

Die H₂-Gasausbeuten bei Sauerstoffverhältnissen von 0 und 0,3 sind beim vorliegenden Verfahren viel höher als die beim herkömmlichen Verfahren. Die theoretische H₂-Gasausbeute, wenn die Gesamtmenge der in den Kohleteilchen enthaltenen Feuchtigkeit mit C reagiert und die Gesamtmenge der H-Atome in den Kohleteilchen zu H₂-Gas umgewandelt wird, ist etwa 0,638 l/g. Die H₂-Gasausbeute bei einem Sauerstoffverhältnis von 0 ist 0,610 l/g oder höher bei Temperaturen von 1400°C und 1600°C beim Verfahren gemäß der Erfindung, und die bei einem Sauerstoffverhältnis von 0,3 ist etwa niedriger als die bei einem Sauerstoffverhältnis von 0 beim Verfahren gemäß der Erfindung, jedoch viel höher als die beim herkömm lichen Verfahren.

Ein Vergleich der CO₂-Ausbeute zeigt, daß die CO₂-Ausbeuten bei Sauerstoffverhältnissen von 0 und 0,3 merklich niedriger beim Verfahren gemäß vorliegender Erfindung als die beim herkömmlichen Verfahren sind, und daher ist die vorliegende Erfindung wirksam zur Verringerung der CO₂-Ausbeute.

Ein Vergleich der CO-Ausbeute zeigt, daß die CO-Ausbeuten bei Sauerstoffverhältnissen von 0 und 0,3 beim Verfahren gemäß der Erfindung niedriger als die beim herkömmlichen Verfahren sind. Gemäß vorliegender Erfindung wird die H₂-Gasausbeute gesteigert, und die CO- und CO₂-Ausbeuten werden verringert, wenn man sie mit dem herkömmlichen Ver fahren vergleicht, und daher ist es möglich, die Menge von CO₂ in dem durch Verbrennen des Produktgases erzeugten Ver brennungsgas erheblich zu verringern.

Bei der vorliegenden Kohlevergasung ist die H₂-Gasausbeute höher, und die CO- und CO₂-Ausbeuten sind niedriger als beim herkömmlichen Kohlevergasungsverfahren. So läßt sich, wenn die Verbrennung des Produktgases zur Stromerzeugung aus genutzt wird, die CO₂-Ausbeute im Verbrennungsabgas erheb lich im Vergleich mit dem herkömmlichen Verfahren verrin gern, und daher ist die vorliegende Erfindung zur Verringe rung von Anlagekosten zur Beseitigung von CO₂ als Hauptgrund für den terrestischen Treibhauseffekt wirkungsvoll.

Claims

1. Verfahren zum Vergasen von Kohle, dadurch gekennzeichnet, daß Kohle rasch auf eine Vergasungstemperatur erhitzt und bei dieser Temperatur für eine kurze Zeit gehalten wird, wodurch ein Wasserstoff als Hauptbestandteil enthaltendes brennbares Gas gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle einer auf die Vergasungstemperatur erhitz ten Atmosphäre für 0,1 bis 1 Sekunde unter Bildung des Wasserstoff als Hauptbestandteil enthaltenden brennbaren Gases ausgesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle auf die Vergasungstemperatur mit einem An stieg von 10³ bis 10⁴°C/s erhitzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kohle durch ein Förderrohr mit einem Tempera turanstieg von 10³ bis 10⁴°C/s leitet und die Kohle beim Durchleiten für 0,1 bis 1 Sekunde bei der Vergasungstem peratur erhitzt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle auf die Vergasungstemperatur in einem sauerstoffgasfreien Zustand erhitzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle auf die Vergasungstemperatur in der Gegen wart eines Sauerstoffgases in einem solchen Bereich er hitzt wird, daß das Gewichtsverhältnis zugeführten Sauerstoffs zu zugeführter Kohle nicht mehr als 0,3 ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle auf die Vergasungstemperatur in einem feuchtigkeits-absorbierten Zustand erhitzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle durch Erhitzen auf eine Temperatur von 1400 bis 1700°C vergast wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Luft als das Sauerstoffgas zugeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlevergasungsprodukt aus der erhitzten Atmo sphäre entfernt und auf eine unter der Vergasungstempe ratur liegende Temperatur abgekühlt wird.

11. Vorrichtung zum Vergasen von Kohle, gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung zur Erzeugung einer auf eine Kohle vergasungstemperatur erhitzten Heizatmosphäre und eine Kohlefördereinrichtung zum Fördern der Kohle zur Heizatmosphäre und zum Aussetzen der Kohle zur Heizatmo sphäre für 0,1 bis 1 Sekunde.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefördereinrichtung zum Fördern von Kohle teilchen mit einem Temperaturanstieg von 10³ bis 10⁴°C/s dient und die Heizeinrichtung zum Erhitzen der Kohleteilchen bei der Vergasungstemperatur für 0,1 bis 1 Sekunde während der Förderung der Kohleteilchen eingerichtet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Förderrohr mit zwei offenen Enden zum För dern der Kohleteilchen vom einen Ende zum anderen mit tels der Fördereinrichtung aufweist und daß die Heizeinrichtung zum Erhitzen der durch das För derrohr geförderten Kohleteilchen auf die Vergasungs temperatur außerhalb des Förderrohres angebracht ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zum Fördern wenigstens eines Teils eines durch die Erhitzung auf die Vergasungstem peratur gebildeten Gases als Brennstoff zur Heizein richtung aufweist.

15. Verwendung des nach einem der Ansprüche 1 bis 10 erhal tenen, Wasserstoff als Hauptbestandteil enthaltenden brennbaren Gases, wobei das beim Verbrennen eines Heiz brennstoffs für die Kohlevergasung gebildete Verbren nungsgas einer mit einem elektrischen Generator verbun denen Gasturbine zwecks Stromerzeugung zugeführt wird.

16. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Kohlevergasungseinheit zum Erhitzen von Kohle auf eine Vergasungstemperatur mit einem brennbaren Gas als Brennstoff zur Bildung eines Wasserstoff als Hauptbe standteil enthaltenden brennbaren Gases, einen Wärmetauscher zur Rückgewinnung von Dampf durch Wärmeaustausch mit diesem in der Kohlevergasungseinheit gebildeten brennbaren Gas, eine Kohleerhitzungsbrennstoff-Fördereinheit zum För dern des abgekühlten brennbaren Gases vom Wärmetauscher als Kohleerhitzungsbrennstoff zur Kohlevergasungsein heit, eine mit einem elektrischen Generator verbundene Gastur bine zur Stromerzeugung mit einem von der Kohleverga sungseinheit abgegebenen Verbrennungsgas und eine mit einem elektrischen Generator verbundene Dampf turbine zur Stromerzeugung mit dem im Wärmetauscher rückgewonnen Dampf.

17. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Kohlevergasungseinheit zum Erhitzen von Kohle auf eine Vergasungstemperatur mit einem brennbaren Gas als Brennstoff zur Bildung eines Wasserstoff als Hauptbe standteil enthaltenden brennbaren Gases, einen Wärmetauscher zur Rückgewinnung von Dampf durch Wärmeaustausch mit diesem in der Kohlevergasungseinheit gebildeten brennbaren Gas, eine mit einem elektrischen Generator verbundene Gastur bine zur Stromerzeugung mit einem Verbrennungsgas vom Erhitzen der Kohle in der Kohlevergasungseinheit und eine mit einem elektrischen Generator verbundene Dampf turbine zur Stromerzeugung mit dem im Wärmetauscher rückgewonnenen Dampf.

18. Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem eine Einrichtung zum Fördern eines Teils des oder des gesamten brennbaren, Wasserstoff als Haupt bestandteil enthaltenden, in der Kohlevergasungseinheit gebildeten und durch den Wärmetauscher geleiteten Gases zur mit dem elektrischen Generator verbundenen Gastur bine vorgesehen ist.