DE60015129T2

DE60015129T2 - System zur erzeugen von elektrischer energie mittels vergasung

Info

Publication number: DE60015129T2
Application number: DE60015129T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Ohta-ku FUJIMURA; Takahiro Ohta-ku OSHITA; Norihisa Ohta-ku Miyoshi; Katsutoshi Ohta-ku NARUSE; Kazuo Ohta-ku KINOSHITA; Qingquan Ohta-ku SU
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1999-05-21
Filing date: 2000-05-22
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2020-05-23
Also published as: EP1194508A2; DE60015129D1; WO2000071644A2; JP2003500518A; ATE280210T1; AU4615800A; EP1475429A1; EP1194508B1; CA2374470A1; WO2000071644A3

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Erzeugung elektrischer Energie durch Vergasung und insbesondere auf eine Technologie zur Rückgewinnung chemischer Energie von Abfällen oder Verbrennlichen, wie z.B. Kohle, mit einem hohen Wirkungsgrad, bei dem verschiedene Abfälle oder Verbrennliche zur Verringerung ihres Volumens ohne vollständige Verbrennung der Abfälle oder der Verbrennlichen wie z.B. Kohle oder Anzünden der Abfälle oder der Verbrennlichen wie z.B. Kohle, in einem Schritt, wie z.B. Pyrolyse, Teilverbrennung oder Vergasungsreaktion, behandelt werden, um dadurch Wärme zu erzeugen und die erzeugte Wärme effektiv zu nutzen und um ein Gas mit einem hohen Nutzwert zu erzeugen. Als Einheit für den Druck wird in der Beschreibung „Bar" benutzt und es ist nicht der absolute Druck, sondern der Manometerdruck.
Technischer Hintergrund
In der letzten Zeit ist es bei der Behandlung von verbrennbaren Abfällen wegen der Erzeugung von Dioxin bei einer einfachen Verbrennungsbehandlung der Abfälle schwierig, die Abfälle in einer kleinen Anlage zu behandeln, die 100 Tonnen pro Tag oder weniger behandeln kann. Die Bildung von aus Abfall abgeleitetem Brennstoff (RDF) und die Behandlung des RDF werden als ein Ersatz für die Verbrennungsbehandlung betrachtet. Im Falle der Behandlung von RDF durch Verbrennung in einer kleinskaligen Anlage kann aber das Problem der Dioxin-Erzeugung grundsätzlich nicht gelöst werden. Daher kann in einer kleinen Gemeinde, wo in der Gemeinde selbst oder in den nahen Städten keine großskalige Verbrennungsanlage vorhanden ist, nur herausgestellt werden, dass die Bildung von RDF nicht notwendigerweise ein effektives Zwischenbehandlungssystem darstellt.
Daher kann kürzlich ein neues Abfallbehandlungsverfahren, das ein geschlossenes Behandlungsverfahren ohne Verbrennung von Abfällen darstellt, Energie unter harmloser Bedingung erhalten und es wird in hohem Maße erwartet, dass das neue Verfahren für den Umweltschutz geeignet ist. Eines der viel versprechenden Systeme ist ein solches System, bei dem Elektrizität und thermische Energie durch eine elektrochemische Reaktion ohne Verbrennung von Abfällen erhalten werden. Wenn eine Technologie zur Erzeugung von Elektrizität durch Behandlung von verbrennlichen Abfällen ohne Verbrennung der Abfälle in die Praxis umgesetzt wird, dann wird eine Abfallbehandlungsanlage ohne Schornstein realisiert und eine solche Technologie trägt in hohem Maße zur Verwaltung der Abfallbehandlung bei. Weiterhin kann eine Technologie zur effektiven Rückgewinnung von Energie aus niederwertigem Brennstoff, wie z.B. Abfällen mit einem hohen Wirkungsgrad auch auf niederwertigen Brennstoff, wie z.B. Braunkohle, angewandt werden. Eine solche Technologie trägt zur Verbesserung der Energieverhältnisse in der Welt bei.
Als ein Verfahren zur Erzeugung von Elektrizität durch Behandlung verbrennlicher Abfälle ohne Verbrennung der Abfälle hat ein Verfahren zur Erzeugung von Elektrizität durch Vergasung der Abfälle zur Erzeugung von Gas und durch Zufuhr des erzeugten Gases zu einer Brennstoffzelle gute Aussichten. Jetzt ist ein System zur Erzeugung von Brenngas, wie z.B. Wasserstoff oder Methan, aus einem festen Material, wie z.B. Kohle, technisch fast perfektioniert worden und ein solches System wird kommerziell eingesetzt. Das System, das gegenwärtig in die Praxis eingeführt wird, setzt aber Verbrennliche, wie z.B. Kohle ein, die einen hohen Heizwert pro Gewichtseinheit aufweisen, wie z.B. 25.200 kJ/kg (6.000 kcal/kg) oder mehr. Daher kann das System nicht bei Verbrennlichen eingesetzt werden, wie z.B. allgemeinen Abfall umfassende organische Abfälle, die einen niedrigen Heizwert pro Gewichtseinheit, z.B. ungefähr 8.400 kJ/kg (2.000 kcal/kg), aufweisen. Dies liegt daran, dass in dem System, das gegenwärtig in den praktischen Einsatz geführt wird, Verbrennliche bei einer Temperatur von 1.300°C oder höher vergast werden, fast alle Energie der Abfälle mit einem niedrigen Heizwert in thermische Energie umgewandelt werden muß, um eine hohe Temperatur von 1.300°C oder höher zu erreichen und ein extrem kleiner Betrag an nutzbarer chemischer Energie in dem als Endprodukt erzeugten Gas verbleibt.
Als nächstes soll ein übliches Energierückgewinnungsverfahren durch Pyrolyse und Vergasung nachfolgend in Zusammenhang mit der 16 beschrieben werden.
Die 16 ist ein Grundfließschema eines üblichen Rückgewinnungsverfahrens durch Pyrolyse und Vergasung. Material „a" in Form organsicher Abfälle, wie z.B. Kunststoffabfälle, Abfallholz, Abfallpapier oder Hausmüll, oder Verbrennliche, wie z.B. Kohle, wird einem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 zugeführt und bei einer relativ niedrigen Temperatur von 800°C oder niedriger zur Erzeugung von Gas, Teer und Koks in dem Niedertemperaturvergasungsverfahren 1 pyrolysiert. Zur gleichen Zeit wird unter anorganischen Substanzen wie z.B. Metallen oder Steinen in dem Material „a", eine relativ große Menge an anorganischem Material von den organischen Substanzen getrennt und aus dem Feuerraum als Unverbrennliches 12 abgezogen. Diese Trennungsfunktion von anorganischen Substanzen und Unverbrennlichen ist sehr wichtig, um die en sehr wirksam aus dem Brennraum auszuscheiden. Daher ist es für den Niedertemperaturvergasungsprozess 1 vorzuziehen, einen Wirbelbettofen einzusetzen, der eine ausgezeichnete Trennfunktion für organische Substanzen und Unverbrennliches besitzt. Obwohl in der nachfolgenden Beschreibung der Fall beschrieben wird, wo ein Wirbelbettofen in dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 eingesetzt wird, können auch andere Öfen, wie ein Röstschachtofen, ein Rostofen oder ein Schachtofen eingesetzt werden.
Luft 15 oder Dampf 14 wird dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 als Fluidisiergas zugeführt. Weiterhin wird Sauerstoff 13 für die Teilverbrennung, der mit Dampf oder Luft verdünnt ist, dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 zugeführt, falls dies erforderlich ist. Selbst wenn kein Wirbelbettofen eingesetzt wird, ist es wünschenswert, dass Sauerstoff für die Teilverbrennung mit Dampf verdünnt wird und dann dem Ofen zugeführt wird. Obwohl das Einsatzmaterial in einem externen Vorwärmprozess indirekt vorgewärmt werden kann, sollte bei dem Nie dertemperaturvergasungsprozess 1 aufgepasst werden, weil die Trennungsfunktion zwischen organischen Substanzen und Unverbrennlichen erniedrigt wird. Wenn das in dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 erzeugte Pyrolysegas 30 so wie es ist eingesetzt werden kann, dann wird der Vergasungswirkungsgrad besonders hoch. In dem Fall, in dem das Material „a" nur in dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 behandelt wird, sind Teer und Koks, die nicht pyrolysiert worden sind, in dem erzeugten Gas vorhanden. Wenn der Teer-Gehalt in dem Gas verbleibt, wird der Teer-Gehalt kondensiert und haftet an den Anlagenteilen an, die in dem stromabliegenden Bereich des Prozesses angeordnet sind. Durch die Kondensation wird Adhäsionsproblem hervorgerufen. Um alle Teile der organischen Abfälle zu behandeln und das Adhäsionsproblem vollständig zu vermeiden, wird ein Hochtemperaturvergasungsprozess 2, in dem die Vergasung bei einer Temperatur von 1300°C oder höher durchgeführt, gegenwärtig vorgesehen, um Teer und Koks nach dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 vollständig zu pyrolysieren. In dem Fall, in dem ein Einsatzmaterial eingesetzt wird, das keinen Teer produziert, oder in dem die Erzeugung von Teer durch den Einsatz von Katalysatoren zur Zersetzung von Teer unterdrückt wird, kann der Hochtemperaturvergasungsprozess entfernt werden oder kann die Betriebstemperatur in dem Hochtemperaturvergasungsprozess herabgesetzt werden.
Das Produktgas 30, das von dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 abgezogen wird, enthält neben Teer und Koks feine Aschen und diese Substanzen werden zusammen mit dem Gas 30 dem Hochtemperaturvergasungsprozess 2 zugeführt. In dem Hochtemperaturvergasungsprozess 2 werden organische Substanzen bei einer Temperatur von 1300°C oder höher pyrolysiert und in Substanzen mit einem niedrigen Molekulargewicht umgewandelt, z.B. CO, CO₂, H₂, H₂O und der Aschegehalt wird als geschmolzene Schlacke 18 abgeführt. Das Gas 31, das durch vollständige Vergasung der organischen Substanzen erzeugt wird, wird einem Gasreinigungsprozess 3 zugeführt und die Verunreinigungen, wie der Schlackennebel in dem Gas 31, werden in dem Gasreinigungsprozess 3 entfernt und gekühlt. Das gekühlte Gas 32 wird in einem Gasdruckerhöhungsprozess unter Druck gesetzt und danach in einen Gasreinigungsprozess eingeführt. Um den elektrischen Leistungsverbrauch in dem Gasdruckerhöhungsprozess zu verrin gern, kann in diesem Falle ein Gaskühl- und Trocknungsprozess auf der Stromaufseite des Gasdruckerhöhungsprozesses vorgesehen werden, um Feuchtigkeit in dem Gas zu entfernen. Das von dem Gasreinigungsprozess 3 abgegebene Abwasser wird in einem Abwasserbehandlungsprozess 38 behandelt.
Bei dem in der 16 gezeigten bekannten Verfahren wird das Produktgas 31 das mit einer hohen Temperatur von 1300°C oder höher aus dem Hochtemperaturvergasungsprozess 2 abgezogen wird, auf eine Temperatur von ungefähr 200°C oder auf eine Temperatur von 100°C oder niedriger in einem atmosphärischen Prozess abgekühlt. Damit wird die fühlbare Wärme (sensible heat) des Gases, die einer Temperaturdifferenz im Bereich von 1100–1200°C entspricht über Quench-Wasser als Niedertemperaturabwärme abgeführt, was zu einer beachtlichen Menge an Exergie-Verlust führt. Im Falle von verbrennlichen Abfällen mit einem Heizwert von z.B. 8400 kJ/kg (2000 kcal/kg) beträgt die theoretische Temperatur der Verbrennung ungefähr 1500 °C, wenn die verbrennlichen Abfälle unter Zufuhr von Luft verbrannt werden. Damit werden bei grober Abschätzung 80% ((1300–100)/1500) der thermischen Energie in eine Niedertemperaturabwärme umgewandelt, die einen niedrigen Nutzwert aufweist, und damit bleiben höchstens 20% der ursprünglich in den Abfällen enthaltenen chemischen Energie in dem Produktgas.
Da eine große Menge an fühlbarer Wärme dem Quench-Wasser zugeführt wird, ist weiterhin eine große Wassermenge zur Kühlung des Quench-Wassers erforderlich. Selbst wenn ein Luftkühlsystem zur Kühlung des Quench-Wassers eingesetzt wird, ist Energie für den Antrieb des Kühlluftgebläses notwendig und wird verschwendet.
Wenn eine Wärmemenge, die eine Temperatur im Bereich von 1.300 bis 800°C entspricht, aus Hochtemperatur – fühlbarer Wärme rückgewonnen wird und in dem Prozess effektiv eingesetzt wird, wird dann (1.300–800)/1.500=33% – Wirkungsgrad eine Anhebung erwartet, und es ist möglich, dass ungefähr 50% der chemischen Energie in dem Produktgas verbleiben, indem die vorstehend erwähnten 20% chemischer Energie hinzu addiert werden. Dies trifft auch für andere Verbrennliche zu, wie z.B. Kohle.
DE 43 42 165 C1 offenbart ein Verfahren für die energetische Nutzung von Biomasse. Dieses Verfahren ist für die energetische Nutzung von nachwachsender Biomasse, Abfall, Hausmüll und Kohle ausgelegt. Die Verfahrensschritte von Trocknung, Schwefelung und Vergasung sind mit Hilfe eines Gasturboladers an einen Gasdampfenergieerzeugungsprozess gekoppelt, in dem die Vergasung das Maschinen- oder Turbinenabgas als Vergasungsmittel nutzt. Die Wärme wird von einem Vergasungsgas, das in einem Vortexschichtvergasungsreaktor erzeugt wird, auf ein Wärmeträgeröl in einem Rekuperator übertragen, und für die Zwecke einer indirekten Erwärmung in einem Trocknungs- und Niedertemperaturkarbonisierungsprozess eingesetzt. Jedoch wird das Wärmeträgeröl nicht als Vergasungsmittel in dem Trocknungs- und Niedertemperaturkarbonisierungsprozess eingesetzt.
US 4 921 765 A offenbart eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle in Kombination mit einem katalytischen Kohle- oder Kohlekoksvergaser für die Erzeugung der Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid umfassenden Reaktionsgase, die in dem Betrieb der Brennstoffzelle eingesetzt werden. Diese Reaktionsgase werden von den Schwefelverbindungen und feinteiligem Material gestrippt und werden dann in diskrete Gasströme für die Zufuhr zu geeigneten Elektroden in der Brennstoffzelle aufgetrennt. Der Vergaser ist so angeordnet, dass er die an der Anode der Brennstoffzelle durch die Elektrizität erzeugende elektrochemische Reaktion in der Zelle erzeugten Reaktionsprodukte aufnehmen kann. Diese Reaktionsprodukte von der Anode werden in erster Linie von Hochtemperaturdampf und Kohlendioxid zur Bereitstellung des Dampfes, der Atmosphäre und der Wärme gebildet, die für die endothermische Pyrolyse der Kohle oder des Koks in Gegenwart eines Katalysators erforderlich sind. Die an der Kathode erzeugten Reaktionsprodukte werden hauptsächlich von Kohlendioxid gebildet, das zur Erwärmung von Luft benutzt wird, die dem Kohlendioxidstrom vom Vergaser zugemischt wird, um den für die Reaktion in der Brennstoffzelle erforderlichen Sauerstoff bereitzustellen und um eine Expansionsvorrichtung für die Energierückgewinnung zu betreiben.
Ein Teil dieses Kohlendioxids von der Kathode kann in die Brennstoffzelle mit der Luft-Kohlendioxid-Mischung zurückgeführt werden.
DE 39 13 322 A1 offenbart ein Kombikraftwerk mit einer allothermen Kohlevergasung und einer Hochtemperaturbrennstoffzelle, worin das für die Brennstoffzelle erforderliche Kohlegas durch eine allothermische Kohlevergasung erzeugt wird.
Die US 4 682 985 A offenbart die Vergasung von Schwarzlauge, wobei eine konzentrierte, wässrige Schwarzlauge, die kohlenstoffhaltiges Material und Alkalimetall-Schwefel-Verbindungen enthält in einem Vergasungskessel zur Erzeugung eines brennbaren Gases und einer sulfidreichen Schmelze in einem Vergaserkessel behandelt wird, der an seinem Boden einen relativ flachen See aus geschmolzenem Salz aufweist. Der Vergaserkessel, der vorzugsweise unter Druck betrieben wird, weist eine Schwarzlaugentrocknungszone in seinem oberen Teil, eine Schwarzlaugenfeststoffvergasungszone, die unterhalb der Trocknungszone angeordnet ist, und eine Schmelzsalzschwefelreduzierzone auf, die den See aus geschmolzenem Salz aufweist. Ein erster Teil eines sauerstoffhaltigen Gases wird in dem Gasraum in der Vergasungszone unmittelbar oberhalb des Schmelzsalzsees eingeführt. Der Rest des sauerstoffhaltigen Gases wird in den Schmelzsalzsee in einer Menge eingeführt, die für eine Vergasung des kohlenstoffhaltigen Materials ausreicht, das in den See aus der Vergasungszone eintritt, die jedoch nicht für die Erzeugung von oxidierenden Bedingungen in dem See ausreicht. Die Gesamtmenge an sauerstoffhaltigem Gas, das sowohl oberhalb des Sees als auch in den See eingeführt wird, beträgt zwischen 25 und 55% der Gasmenge, die für eine vollständige Verbrennung der Schwarzlaugenzufuhrmenge erforderlich ist. Ein brennbares Gas wird von einem oberen Teil der Trocknungszone abgezogen und eine Schmelze, in der der Schwefelgehalt in erster Linie in Form von Alkalimetallsulfiden enthalten ist, wird von der Schmelzsalzschwefelreduzierzone abgezogen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System zur Erzeugung elektrischer Energie durch Vergasung vorzusehen, das chemische Wärme von organi schem Material, wie z.B. verbrennbaren Abfällen, oder Verbrennlichen, wie z.B. Kohle mit eine niedrigen Heizwert, bei einem hohen Wirkungsgrad rückgewinnen kann, während der Exergie-Verlust so weit wie möglich verringert wird, und das den Exergie-Verlust in einem Gesamtsystem auf ein Minimum reduzieren kann, indem die thermische Energie in dem Verfahren mit einem verringerten Exergie-Verlust so weit als möglich zurückgewonnen wird oder indem die Überschussenergie in den diesbezüglichen Prozessen in dem System effektiv eingesetzt wird.
Um das vorstehend genannte Ziel zu erreichen, wird hinsichtlich eines ersten Aspekts der Erfindung ein Verfahren zur Vergasung von Material vorgeschlagen, bei dem die in dem Anspruch 1 festgehaltenen Schritte vorgesehen sind.
Hinsichtlich eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Vergasung von Material vorgeschlagen, wie es im Anspruch 2 festgehalten ist. Im Besonderen ist bei dem Verfahren Folgendes vorgesehen: ein Niedertemperaturvergasungsprozess für Pyrolyse und Vergasung des Materials durch Teilverbrennung des Materials bei einer von 400 bis 1.000°C reichenden Temperatur; ein Hochtemperaturvergasungsprozess zur Vergasung gasförmigen Materials, das bei der Niedertemperaturvergasung erhaltenen Feststoff enthält, bei einer von 1.200 bis 1.500°C reichenden Temperatur zur Erzeugung von Gas; und ein stromab des Hochtemperaturvergasungsprozesses vorgesehener Wärmerückgewinnungsprozess für die Durchführung eines Wärmeaustausches zwischen dem in dem Hochtemperaturvergasungsprozess erzeugten Gas und einem Vergasungsmittel für wenigstens einen von dem Niedertemperaturvergasungsprozess und dem Hochtemperaturvergasungsprozess, um dadurch das Vergasungsmittel vorzuwärmen.
In dem Falle, in dem ein Hochtemperaturvergasungsprozess insbesondere auf Verbrennliche mit einem niedrigen Heizwert angewandt wird, wird die Rate der Teilverbrennung durch Erniedrigung der Reaktionstemperatur in der Vergasung erniedrigt oder Wärme wird in einem Hochtemperaturbereich rückgewonnen, um die rückgewonnene Wärme in den Prozessen einzusetzen, wodurch das Umwandlungsverhältnis von chemischer Energie zu thermischer Energie in den Ver brennlichen so weit als möglich erniedrigt wird. Wenn z.B. die im Hochtemperaturbereich rückgewonnene Wärme für die Pyrolyse der Verbrennlichen, wie Abfällen und Kohle, eingesetzt wird, wird das Konversionsverhältnis für die Umwandlung chemischer Energie zu thermischer Energie zur Erhaltung der für die Pyrolyse erforderlichen Wärme verkleinert, wodurch der Betrag an chemischer Energie vergrößert wird, der in dem Produktgas verbleibt.
Im Allgemeinen liegt der Temperaturbereich, in dem Pyrolyse durchgeführt wird, im Bereich von 350 bis 600°C und wenn Hochtemperatur-Fühlbare Wärme von einem Hochtemperaturbereich in dem Verfahren rückgewonnen wird und wenn die für die Pyrolyse erforderliche Temperatur im Bereich von 350 bis 600°C durch rückgewonnene Wärme gehalten wird, dann ist ein solches System effektiv.
Die Wärmerückgewinnung in dem Hochtemperaturbereich ist wegen der Begrenzung des Materials in dem Wärmeaustauschabschnitt nicht leicht und in der üblichen Technologie gibt es eine Begrenzung der Rückgewinnung von Wärme, die eine Temperatur von höchstens 600°C aufweist. Selbst dann, wenn Wärme mit einer Temperatur von ungefähr 600°C dem Pyrolyseprozess zugeführt wird, beträgt die praktisch in einem atmosphärischen Prozess erhaltene Temperatur nicht mehr als 300°C, weil das Wärmemedium seine eigene Wärmekapazität besitzt. Daher wurde eine Technologie für die Rückgewinnung von Wärme mit einer höheren Temperatur gefordert.
Die Signifikanz für die Wiedergewinnung eines brennbaren Gases, wie z.B. Wasserstoff, aus Verbrennlichen, wie z.B. Abfällen und Kohle, mit einem niedrigen Heizwert und für den Einsatz von Hochtemperaturwärme oder -energie für die Rückgewinnung von verbrennbarem Gas durch Zirkulation von Hochtemperaturwärme oder -energie in den Prozessen wird nachfolgend beschrieben. Der Hauptgrund, warum die Abfälle schwierig für den effektiven Einsatz als Brennstoff geeignet sind, liegt darin, dass die Abfälle Verunreinigungen enthalten. Feuchtigkeit, die eine Erniedrigung des Heizwertes verursacht, Unverbrennliche wie Steine oder Metalle, die die Behandlung des Restes behindern, Chlor, Schwefel oder Schwermetalle, die korrosives Material oder toxisches Material bei Verbrennung oder Pyrolyse erzeugen, und verschiedenartige Verunreinigungen sind mit dem verbrennbaren Material vermischt.
Die Rückgewinnung von Reingas, wie z.B. Wasserstoffgas, aus unreinen Materialien ist figurativ eine Selektion von reinem Material durch ein chemisches Sieb. Je geringer der Exergie-Verlust, der durch die Siebung verbraucht wird, ist, desto größer ist die Rate der Rückgewinnung und ein solcher Prozess wird als ein hervorragender Prozess betrachtet. Der größte Exergie-Verlust wird erzeugt, wenn chemische Energie in thermische Energie umgewandelt wird und insbesondere der Exergie-Verlust, der durch Umwandlung in Niedertemperaturwärme hervorgerufen wird, ist besonders groß.
Um das „chemische Sieb" zu einer effektiven Funktionsweise zu veranlassen, ist aber ein Prozess für die Umwandlung organischer Substanzen in Substanzen mit einem niedrigen Molekulargewicht, wie z.B. „Pyrolyse" oder „Vergasung", unabdingbar für das Abtrennen von Verunreinigungen und der gleichen von dem aktiven Einsatzstoff. Dieser Umwandlungsprozess in Substanzen mit einem niedrigen Molekulargewicht (im Folgenden als „Niedermolekularprozess" bezeichnet) erfordert thermische Energie und daher wird chemische Energie in dem Material in Wärmeenergie umgewandelt und zu diesem Zeitpunkt ist die Erzeugung eines Exergie-Verlustes unvermeidbar.
Wenn für den Niedermolekularprozess erforderliche thermische Energie von außen bereitgestellt wird, wird dann der Exergie-Verlust verringert und eine Energierückgewinnung mit einem hohen Wirkungsgrad wird möglich. Wenn aber für die Bereitstellung von thermischer Energie von außen Exergie-Verlust in einem anderen externen System erzeugt wird, kann kein Gesamtsystem mit einem hohen Wirkungsgrad erreicht werden. Daher wird es für den Aufbau eines Gesamtsystems mit einem hohen Wirkungsgrad erforderlich, die für den Niedermolekularprozess erforderliche Wärmeenergie durch ein Verfahren zu erreichen, das den Exergie-Verlust so weit als möglich verringern kann.
Als nächstes wird das Verfahren, in dem der Exergie-Verlust klein ist und für den Niedermolekularprozess erforderliche thermische Energie bereitgestellt wird, im Folgenden diskutiert.
Eines der Verfahren besteht darin, dass Hochtemperatur-Fühlbare Wärme, die in thermische Energie umgewandelt worden ist, als Wärme zurück gewonnen wird, wie dies bei der vorstehend erwähnten Rückgewinnung von Hochtemperatur-Fühlbarer Wärme beschrieben worden ist. Ein anderes Verfahren besteht darin, dass eine endothermische chemische Reaktion unter Ausnutzung von Hochtemperatur-Fühlbarer Wärme hervorgerufen wird und die in der endothermischen Reaktion erzeugten Produkte dem Niedermolekularprozess zugeführt werden, um eine exotherme Reaktion zu veranlassen. Weiterhin ist das Verfahren, bei dem die in der endothermen Reaktion erzeugten Substanzen in anderen Prozessen wie einem Gasbehandlungsprozess eingesetzt werden, äußerst wirksam. Durch Einsatz der in der endothermischen Reaktion erzeugten Substanzen – und wenn verbrennbares Gas mit einer theoretischen Verbrennungstemperatur höher als die des Wärmerückgewinnungsabschnitts erzeugt wird – , wird eine Art von chemischer Wärmepumpe erreicht und wenn diese realisiert wird, wird der Exergie-Verlust, der bei Umwandlung eines Teils der chemischen Energie im Material in thermische Energie erzeugt wird, eingesetzt, um die chemische Wärmepumpe anzutreiben. Dieses System ist wirkungsvoller.
In dem Gesamtsystem ist die Rate des Exergie-Verlustes in dem Gasreinigungsprozess groß und daher ist eine Technologie für die Verringerung des Exergie-Verlustes in dem Gasreinigungsprozess auf ein Minimum sehr wichtig. Üblicherweise sind eine Abfallbehandlungsanlage, eine Energieerzeugungsanlage und dergleichen unabhängig voneinander in Einzeleinheitsprozesse konstruiert und solche Anlagen werden zum Aufbau eines Systems kombiniert. In dem Fall, in dem Energie in jeder der Anlagen erforderlich ist, wird Energie jeder der Anlagen zugeführt, um Motoren zu erregen, Aus diesem Grunde wird in den einzelnen Anlagen erzeugte Überschussenergie nicht genützt und abgeführt.
So wird z.B. in dem Fall, in dem Elektrizität durch eine an einen Generator gekoppelte Dampfturbine erzeugt wird, wird – obwohl fast alle Anlagen einen Dampfkondensator aufweisen – fühlbare Wärme von Wasserdampf, die durch den Dampfkondensator absorbiert worden ist, nicht genutzt und in die Atmosphäre abgegeben. Wenn diese fühlbare Wärme effektiv genutzt wird, kann der Wirkungsgrad des Gesamtsystems deutlich verbessert werden. Wenn Druckenergie im Überschuss vorhanden ist, ist es effektiv, solche Druckenergie durch Einsatz einer Expansionsturbine in Leistung umzuwandeln. In dem Fall, in dem Stickstoffgas mit einer hohen Konzentration erhalten werden kann, und wenn die Charakteristika eines solchen Stickstoffgases als Inertgas effektiv genutzt werden können, dann muß Stickstoffgas nicht notwendigerweise erzeugt werden und der Wirkungsgrad des Gesamtsystems kann verbessert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Energierückgewinnungsprozesses durch Pyrolyse und Vergasung entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Energierückgewinnungssystems für die Rückgewinnung eines Teils der Hochtemperatur-fühlbaren Wärme als chemische Energie in dem Hochtemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Energierückgewinnungssystems für die Rückgewinnung eines Teils der Hochtemperatur-fühlbaren Wärme als chemische Energie in dem Hochtemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Energierückgewinnungssystems für die Rückgewinnung eines Teils der Hochtemperatur-fühlbaren Wärme als thermische Energie in dem Hochtemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Energierückgewinnungssystems für die Rückgewinnung eines Teils der Hochtemperatur-fühlbaren Wärme als chemische Energie in dem Hochtemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Systems mit einem Dampferzeugerprozess und einem Staubsammler in einer Bypassleitung nach einer modifizierten Ausführungsform der fünften Ausführungsform;
7 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Gesamtsystems, das das in der 4 gezeigte System beinhaltet und der Erzeugung von Elektrizität in einer Brennstoffzelle dient;
8 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Gesamtsystems, das das in der 7 gezeigte System beinhaltet und der Erzeugung von Elektrizität in einer Brennstoffzelle dient;
9 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Gesamtsystems, das das in der 4 gezeigte System beinhaltet und der Erzeugung von Elektrizität in einer Brennstoffzelle dient, wobei das Off-Gas in einem Wasserstoffreinigungsprozess und/oder einem Brennstoffzellenenergieerzeugungsprozess effektiv für die Reduzierung des Exergie-Verlustes in dem Gesamtsystem eingesetzt wird;
10 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines das in der 4 gezeigte System aufweisenden Gesamtsystems für die Erzeugung von Elektrizität durch eine Brennstoffzelle, wobei die Materialzirkulation im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 9 weitergeführt wird;
11 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines das in den 4 bis 10 gezeigte System aufweisenden Gesamtsystems zur Erzeugung von Elektrizität mit einer Brennstoffzelle, wobei der Wasserdampf in dem Produktgas wieder gewonnen wird und als Vergasungsmittel eingesetzt wird;
12 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines das in den 4 bis 10 gezeigte System aufweisenden Gesamtsystems zur Erzeugung von Elektrizität mit einer Brennstoffzelle, wobei in dem Produktgas enthaltener Wasserdampf als kondensiertes Wasser wieder gewonnen wird und das kon densierte Wasser wieder verdampft und als Vergasungsmittel eingesetzt wird;
13 ist eine schematische perspektivische Schnittansicht einer Wirbelbettvergasungsfeuerung, die in dem Niedertemperaturvergasungsprozess eingesetzt wird, und eines Schmelzofens, der in dem Hochtemperaturvergasungsprozess eingesetzt wird;
14 ist eine schematische Vertikalschnittansicht der Wirbelbettvergasungsfeuerung gemäß 10;
15 ist eine Blockdarstellung zur Darstellung eines Systems für die effektive Nutzung von Druckenergie eines unter Druck gesetzten Gases nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
16 ist ein Basisflussdiagramm eines üblichen Energierückgewinnungsprozesses durch Pyrolyse und Vergasung.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Ein System zur Erzeugung elektrischer Energie durch Vergasung von verbrennbaren Materialien, wie Abfällen oder Kohle, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, soll nun anhand der beigefügten Figuren erläutert werden. In den 1–15 sind gleiche oder einander entsprechende Teile mit gleichen oder einander entsprechenden Bezugszahlen durch alle Darstellungen hindurch versehen und eine wiederholte Beschreibung der Bezugszahlen wird vermieden.
Die 1 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Energierückgewinnungsprozesses durch Pyrolyse und Vergasung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Daher zeigt 1 eine Ausführungsform, bei der die Materialen wie Abfälle oder Kohle pyrolysiert oder vergast werden und Wärme des erzeugten Brenngases (latente Wärme) wieder gewonnen wird und die wieder gewonnene Wärme in den Vergasungsprozess eingespeist wird. Der in der 1 gezeigte Prozess umfasst einen Niedertemperaturvergasungsprozess 1 und einen Hochtemperaturvergasungsprozess 2, wie dies bei dem in der 16 gezeigten konventionellen Prozess der Fall ist. Der in der 1 gezeigte Prozess weist weiterhin einen Hochtemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess 4 auf, der stromab des Hochtemperaturvergasungsprozesses 2 angeordnet ist. Daher hat der in der 1 gezeigte Prozess den Wärmerückgewinnungsprozess stromab des Vergasungsprozesses. Eine Mischung aus Luft 15, Dampf 14 und Sauerstoff 13 wird auf eine Temperatur im Bereich 600–1000°C in dem Hochtemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess 4 durch Wärmeaustausch mit einem Hochtemperaturproduktgas 31 vorgewärmt, das von dem Hochtemperaturvergasungsprozess 2 abgegeben wird und dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 als Fluidisiergas 16 und dem Hochtemperaturvergasungsprozess 2 als Vergasungsmittel 17 zugeführt wird. Auf diese Weise wird das Produktgas 31 in ein Produktgas 31a umgewandelt, das auf eine mittlere Temperatur abgekühlt wird, ehe das Produktgas 31a in den Gasreinigungsprozess 3 eingeführt wird. Da Wärme in den Vergasungsprozess durch das auf eine hohe Temperatur vorgewärmte Fluidisiergas 16 eingebracht wird, ist die Materialmenge verringert, die in dem Vergasungsprozess teilweise verbrannt wird. Weiterhin bringt das auf eine hohe Temperatur vorgewärmte Fluidisiergas 16 Wärme in den Niedertemperaturvergasungsprozess 1 ein, um auf diese Weise die Menge der Materialen, die in dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 verbrannt werden, um den Betrag zu verringern, der der durch das Fluidisierungsgas 16 eingebrachten Wärme entspricht. Weiterhin bringt das auf eine hohe Temperatur vorgewärmte Vergasungsmittel 17 Wärme in den Hochtemperaturvergasungsprozess 2 ein, um auf diese Weise die Menge an verbrennlichen Inhalten einschließlich Brenngas und Teer, die in dem Hochtemperaturvergasungsprozess 2 teilverbrannt werden, um den Betrag zu verringern, der der durch das Vergasungsmittel 17 eingetragenen Wärme entspricht. Da die Konzentrationen von CO und H₂ in dem erzeugten Gas hoch sind, wird das erzeugte Gas als Einsatzmittel für chemische Industrien zur Erzeugung von Benzin, Alkohol und Ammoniak, aber auch als Brennstoff für Stromerzeugungsanlagen vom Verbrennungstyp eingesetzt, wie z.B. eine Brennstoffzelle oder eine Gasmaschine. In dem Gasreinigungsprozess 3 wird das Produktgas 31a, aus den Verunreinigungen wie Schlackennebel entfernt worden sind, gekühlt und das gekühlte Gas 32 wird dann einem nachfolgenden Prozess, wie z.B. einem Gasdrukkerhöhungsprozess, zugeführt. Das von dem Gasreinigungsprozess 3 abgeschiedene Abwasser wird in einem Abwasserbehandlungsprozess 38 behandelt.
Um das in der 1 gezeigte System mit einem hohen Wirkungsgrad zu betreiben, ist es wesentlich, die Wärmekapazität zu reduzieren, indem soweit als möglich die Menge an Substanzen reduziert wird, die dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 und dem Hochtemperaturvergasungsprozess 2 von außen zugeführt werden. Daher ist es wünschenswert, dass die Sauerstoffkonzentration eines dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 und dem Hochtemperaturvergasungsprozess 2 zugeführten Oxidierungsmittels so hoch als möglich ist. Wenn aber reiner Sauerstoff eingesetzt wird, wird die theoretische Temperatur der Verbrennung jedoch bemerkenswert angehoben, und es ist damit die Möglichkeit gegeben, das lokale Flächen in dem Feuerraum übermäßig bis zum Erreichen einer gefährlichen Temperatur erhitzt werden. Daher ist die Zufuhr von reinem Sauerstoff nicht zu bevorzugen. Entsprechend wird bei der vorliegenden Erfindung der Sauerstoff mit Dampf 14 oder Luft 15 verdünnt und wird dann dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 und dem Hochtemperaturergasungsprozess 2 zugeführt. Im Falle des Einsatzes eines Wirbelbettofens in dem Niederdruckvergasungsprozess 1 ist eine bestimmte Flussmenge des als Fluidisierungsgas dienenden Gases erforderlich, um in dem Bett die Fluidisierung aufrecht zu erhalten, und wenn das Fluidisiermittel eine exzessiv hohe Temperatur erreichen sollte, kann das Bett nicht in ausreichender Weise in Folge von Agglomeration des fluidisierten Mediums fluidisiert werden. Es ist daher schwierig, die Sauerstoffkonzentration so hoch anzuheben.
Andererseits weist im dem Hochtemperaturvergasungsprozess 2 das Innere des Feuerraums eine Temperatur von 1300°C und größer auf und es gibt eine geringe Möglichkeit, das eine hohe Innentemperatur zu Problemen führt. Daher kann de Sauerstoffkonzentration in dem Hochtemperaturvergasungsprozess 2 um ein gewisses Maß gegenüber der Temperatur in dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 angehoben werden. Entsprechend neuer Versuche der Erfinder der vorliegenden Erfindung ist es erstrebenswert, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 im Bereich von 15–50% liegt, und es ist möglich, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Hochtemperaturvergasungsprozess 2 gleich ist oder höher ist als 50%. In der vorliegenden Erfindung ist die Temperatur des vorgewärmten Gases so hoch, dass – wenn die Sauerstoffkon zentration exzessiv hoch ist – die Oxidationsreaktion beschleunigt wird, was zu verschiedenen Problemen führt, wie Oxidation oder Ausbrennen der Sauerstoffdüsen. Daher sollte nach Zumischung von Sauerstoff ein exzessives Aufheizen vermieden werden, und wenn die Sauerstoffkonzentration des Oxidiermittels 50% überschreitet, ist es wünschenswert, den Sauerstoff mit Hochtemperaturluft oder Hochtemperaturdampf unmittelbar vor Zufuhr des Oxidiermittels in den Feuerraum zu vermischen.
Als Mittel für die Rückgewinnung der Hochtemperatur-fühlbaren Wärme ist durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Technologie für die Rückgewinnung von Hochtemperaturwärme ist einer Temperatur von 800°C oder höher aus einem Hochtemperaturbereich mit einer Temperatur von 1000°C oder höher unter Nutzung von Wärmetransportrohren vorgeschlagen worden, die aus Keramik oder einem warmfesten Gussstahl in einem Ofen für komplette Verbrennung angeordnet sind, wie z.B. in einem Ofen für Vergasung und Verbrennung unter Schlakkenbildung. Obwohl der Wärmerückgewinnungsabschnitt auf einer hohen Temperatur gehalten wird, wird in dem Feuerraum für komplette Verbrennung eine oxidierende Atmosphäre gehalten, und selbst wenn die Wärmeübertragungsrohre aus einem warmfesten Gussstahl hergestellt sind, können dann die Wärmeübergangsrohre eine hohe Festigkeit und eine lange Standzeit aufweisen.
Eines der Ziele der vorliegenden Erfindung ist die Durchführung von Wärmerückgewinnung bei einer hohen Temperatur in einer reduzierenden Atmosphäre durch Pyrolyse oder Vergasung und daher ist die Korrosionsbedingung für Metalle schwerwiegender als die in einer oxidierenden Atmosphäre. Daher weisen die Wärmeübertragungsrohre aus Metall, wie z.B. aus einem warmfesten Gussstahl eine beachtlich verringerte Festigkeit auf. Daher ist es wünschenswert, dass der Wärmeübergangsabschnitt für die Wärmerückgewinnung bei hoher Temperatur aus einer Nicht-Oxide aufweisenden Keramik aufgebaut ist, wie z.B. SiC. Obwohl Metalle, wie z.B. wärmeresistenter Gussstahl oder Oxide enthaltende Keramiken, eingesetzt werden können, können auch andere Materialien eingesetzt werden. Diese haben eine geringere Festigkeit als Nicht-Oxide enthaltende Keramiken und es müssen daher entsprechende Maßnahmen vorgesehen werden.
Als Mittel für die Rückgewinnung von Hochtemperatur-fühlbarer Wärme kann auch ein Wärmeaustauscher vom Wärmespeichertyp eingesetzt werden, der eine Schaltfunktion für Fluidkanäle aufweist, die von den Erfindern der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen worden ist. In dem Wärmeaustauscher vom Wärmespeichertyp wird das Hochtemperaturverbrennungsgas in einen Wärmespeicher eingeleitet, der aus bienenwabenartigen Keramiken zur Speicherung von Wärme in de Wärmereservoir besteht. Danach wird ein Gasflusskanal geschaltet, um zu erwärmendes Gas in den Wärmespeicher einzuleiten, der wiederum das eingeführte Gas durch die in dem Wärmespeicher gespeicherte Wärme erwärmt. Dieser regenerative Wärmeaustauscher weist Charakteristiken auf, die auf einfache Weise einen Wärmetausch im Hochtemperaturbereich ermöglichen, im Vergleich zu dem Wärmetauscher vom indirekten Typ, der Wärmeübergangsrohre aufweist. I
In einem Wärmeaustauscher vom Wärmespeichertyp strömen ein Hochtemperaturgas und ein zu erwärmendes Gas in dem gleichen Strömungskanal und daher ist eine Abdichttechnologie äußerst wichtig. In dem Falle, in dem das Hochtemperaturgas ein verbrennbares Gas ist und das zu erwärmende Gas ein sauerstoffhaltiges Gas ist, wie dies bei der Erfindung der Fall ist, besteht die Möglichkeit, dass Sauerstoff durch die Dichtung auf die Seite des brennbaren Gases übertritt, wodurch ein Ausbrennen des Wärmespeichers erfolgen kann. Daher ist es erforderlich, keinen Sauerstoff mit dem zu erwärmenden Gas zu vermischen und wenn das Hochtemperaturgas korrosive Bestandteile enthält, wird das zu erwärmende Gas in dem Wärmespeicher verunreinigt. Es ist daher erforderlich, dass die Züge, die auf der Seite des zu erwärmenden Gases angeordnet sind, aus hochwertigem Material hergestellt werden. Im Falle des Einsatzes eines regenerativen Wärmeaustauschers sollte diesen Prozessen besonderes Augenmerk gewidmet werden.
In dem Fall, in dem Energie aus der Hochtemperatur-fühlbarer Wärme rückgewonnen wird und die rückgewonnene Energie in die Prozesse wieder eingeführt wird, kann die Wärmekapazität des zirkulierenden Mediums nicht vernachlässigt werden und die Menge an zirkulierendem Wärmemedium muss exzessiv erhöht werden, wenn die zurück gewonnene Wärme nur durch fühlbare Wärme zirkuliert wird. Es kann effektiv, wenn die Wärmerückgewinnung nicht über fühlbare Wärme, sondern über chemische Energie erfolgt. Dies ist der Fall, weil einige chemische Energie einen Betrag an Energie enthalten kann, der wesentlich größer ist als fühlbare Wärme und weil die chemische Energie nicht im Übermaß durch die Wärmekapazität eines Wärmemediums beeinflusst werden kann. Darüber hinaus weist chemische Energie ein Exergie-Verhältnis (Exergie/Enthalpie) auf, das größer ist als bei thermischer Energie und daher ist chemische Energie als ein Rückgewinnungsmittel für die Rückgewinnung von Hochtemperatur-fühlbarer Wärme wirksam, weil der Exergie-Verlust gering ist.
Die 2 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Energierückgewinnungssystems für die Rückgewinnung eines Teils von Hochtemperatur-fühlbarer Wärme als chemische Energie in einem Hochtemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird Calciumcarbonat (CaCO₃) 19 einem Hochtemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess 4a zugeführt und die Decarbonisierungsreaktion, die eine endothermische Reaktion ist, wird durchgeführt, um das Gas in dem Hochtemperatur-fühlbarer Wärme-Rückgewinnungsprozess 4a abzukühlen. Im Falle der Zufuhr von Calciumcarbonat kann der erzeugte Branntkalk (CaO) 20a dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 als Entschwefelungsmittel oder als Entchlorungsmittels zugeführt werden oder es kann in einem Trockengasreinigungsprozess 3a genutzt werden, wenn ein solcher Trockengasreinigungsprozess 3a – wie in der 2 gezeigt – vorgesehen ist.
Wenn Branntkalk (CaO) 20a dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 zugeführt wird, reagiert der Branntkalk mit dem Wasserstoffsulfid, Wasserstoffchlorid oder Kohlendioxid, um Wärme in dem Wirbelbett zu erzeugen. Der dem Wirbelbett zugeführt Branntkalk (CaO) dient als Entschwefelungsmittel und als Entchlorierungsmittel und dient gleichzeitig dazu, die Temperatur des Niedertemperaturvergasungsprozesses 1 aufrechtzuerhalten, und daher kann die Menge an Sauerstoff, die dem Vergasungsraum zugeführt wird, verringert werden, um den Kaltgas-Wirkungsgrad weiter zu verbessern. Die Calciumverbindung, die in dem Ver gasungsraum reagiert hat, wird aus dem Vergasungsfeuerraum entfernt und zur Rezirkulierung zu dem Hochtemperatur-fühlbarer Wärme-Rückgewinnungsprozess 4a zurückgeführt. Damit kann Calciumcarbonat (CaCO₃) als Aufwärmmittel für Hochtemperatur-fühlbare Wärme-Rückgewinnung eingesetzt werden.
Das in dem Hochtemperaturvergasungsprozess 2 erzeugte Hochtemperaturgas 31 wird auf eine Temperatur von 650°C oder niedriger in dem Hochtemperaturfühlbarer Wärme-Rückgewinnungsprozess 4a und in einem Dampferzeugerprozess 5 gekühlt und dann durch in Kontakt bringen mit Branntkalk (CaO) 20a gereinigt. Das gereinigte Gas 32 wird einem nachfolgenden Prozess zugeführt.
Wen Branntkalk (CaO) 20a dem Trockengasreinigungsprozess 3a zugeführt wird, reagiert der Branntkalk mit Wasserstoffsulfid, Wasserstoffchlorid oder Kohlendioxid in dem Produktgas 31b mit hoher Temperatur. Die sich durch Reaktion ergebende Calciumverbindung 20b wird aus dem Trockengasreinigungsprozess 3a abgezogen, dem Hochtemperatur-fühlbarer Wärme-Rückgewinnungsprozess 4a zugeführt und zirkuliert, um fühlbare Wärme aus dem Produktgas zurückzugewinnen und die Calciumverbindung 20b in CaO umzuwandeln, das seinerseits wieder in dem Trockengasreinigungsprozess 30a oder dem Vergasungsprozess genutzt werden kann, obwohl in dem konventionellen System die sich durch Reaktion ergebende Calciumverbindung 20b abgezogen wird. Daher kann die zu verbrauchende Menge an Calciumcarbonat (CaCO₃) 19 verringert werden und damit kann die Menge an Ausstoßmaterial, das aus dem System ausgestoßen wird, reduziert werden.
Die Fig. 333 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Energierückgewinnungssystems für die Rückgewinnung eines Teils an Hochtemperatur-fühlbarer Wärme als chemische Energie in dem Hochtemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess 4 entsprechend einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der dritten Ausführungsform wird dem in der 2 gezeigten System ein Mittel- und Niedertemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess 6 hinzugefügt. Insbesondere wird ein Mittel- und Nie dertemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess 6 im Temperaturbereich von 200 bis 650°C in einer nachfolgenden Stufe des Trockengasreinigungsprozesses 3a vorgesehen.
In dem Trockengasreinigungsprozess 3a, der CaO nutzt, treten die nachfolgenden Reaktionen auf, die exotherme Reaktionen sind.
Damit wird die in den obigen exothermen Reaktionen erzeugte Wärme in dem Mitteltemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess 6 rückgewonnen und effektiv genutzt. Insbesondere wird eine Mischung von Luft 15, Dampf 14 und Sauerstoff 13 in dem zweistufigen Prozess, der den Mitteltemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess 6 und den Hochtemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess 4a umfaßt, vorgewärmt und dann dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 und dem Hochtemperaturvergasungsprozess 2 zugeführt. Das von Mitteltemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess 6 abgegebene Produktgas wird einem nachfolgenden Prozess zugeführt.
4 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Energierückgewinnungssystems zur Rückgewinnung eines Teils von Hochtemperatur-fühlbarer Wärme als thermische Energie in dem Hochtemperaturprozess 2 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieses System kann ein System für die Rückgewinnung eines Teils von Hochtemperatur-fühlbarer Wärme als chemische Energie gemäß 2 und 3 beinhalten, obwohl ein solches System in der 4 nicht dargestellt ist. Das in der 4 gezeigte System benutzt einen Nassgasreinigungsprozess 3b, wie z.B. Wäscher als Gasreinigungsprozess 3. Bei der Ausführungsform sind ein Dampferzeugerprozess 5, ein Mitteltemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess 6, ein Staubsammler 7 und ein Nassgasreinigungsprozess 3b in einer dem in der 1 gezeigten Hochtemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess 4 nachfolgenden Stufe nachgeschaltet. Durch Anordnung des Staubsammlers 7 stromauf des Nassgasreinigungsprozess 3b kann Flugasche 21 aus dem Produktgas 31c entfernt werden, um die Staubentfernungsbelastung in dem Nassgasreinigungsprozess 3b zu verringern, und damit kann die Last für Abwasserbehandlung in einer Abwasserbehandlungsanlage verringert werden. Der Staubsammler 7 muss nicht unbedingt vorgesehen sein, und wenn er nicht vorgesehen ist, wird der Aschegehalt des Gases als nasse Asche wiedergewonnen.
5 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Energierückgewinnungssystems für die Rückgewinnung eines Teils von Hochtemperatur-fühlbarer Wärme als thermische Energie in dem Hochtemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess 4 nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das in der 5 gezeigte System wird für die Behandlung von besonderem Material eingesetzt, das keinen Teer am Auslass des Niedertemperaturvergasungsprozesses 1 erzeugt. Bei dieser Ausführungsform ist eine Bypassleitung B_P vorgesehen, die einen Bypass für die zwischen dem Auslass des Niedertemperaturvergasungsprozesses 1 und dem Einlass des Staubsammlers 7 liegenden Leitung darstellt, Klappen V1, V2 für das Schalten der Leitungen sind in der Hauptleitung bzw. in der Bypassleitung B_P vorgesehen. Im Falle der Vergasung von Material nur durch eine Menge von Wärme des zu vergasenden Materials ist, wie vorstehend beschrieben, die Niedervergasungstemperatur höher je höher der Kaltgas-Wirkungsgrad ist und das Energiewiedergewinnungsverhältnis wird verbessert. Durch die Konstruktion des in der 5 gezeigten Systems ist daher beispielsweise die Klappe V1 während der Tageszeit geschlossen und die Klappe V2 geöffnet, wenn der Bedarf an elektrischer Leistung hoch ist, wodurch Material in dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 zur Erzeugung von Gas vergast wird und das Produktgas zur Erzeugung von Elektrizität bei einem hohen Wirkungsgrad benutzt wird.
Weiterhin ist während der Nacht die Klappe V1 geöffnet und die Klappe V2 geschlossen, wenn der Bedarf an elektrischer Leistung gering ist, wobei Aschen, die in einem Trockenaschespeicherprozess 25 gespeichert worden sind, weil die Aschen während des Tages nicht erschmolzen worden sind, zur Bildung von Schlacke erschmolzen werden. Mit anderen Worten: das in der 5 gezeigte System erlaubt zwei Betriebsweisen.
In dem Fall, in dem ein Wechsel der Betriebsweise durchgeführt wird, müssen die Gasflusskanäle klar voneinander für die Hochtemperaturvergasungsbetriebsweise bzw. Niedertemperaturvergasungsbetriebsweise getrennt sein. Wenn die Betriebsweise von der Hochtemperaturvergasungsbetriebsweise, bei der Aschen erschmolzen und in geschmolzene Schlacke umgewandelt werden, auf die Niedertemperaturvergasungsbetriebsweise umgeschaltet wird, werden die im geschmolzenen Zustand befindlichen Aschen mit abnehmender Temperatur des Hochtemperaturvergasers allmählich verfestigt, und wenn derselbe Durchflusskanal benutzt wird, werden neue Aschen von dem Niedertemperaturvergasungsprozess in den selben Durchflusskanal eingebracht, in dem halberschmolzene Schlacke vorhanden ist und die herangeführte neue Asche haftet an der Oberfläche der halberschmolzenen Schlacke an. Wenn diese unerwünschte Bedingung für einen langen Zeitraum anhält, bauen sich Aschen in dem Hochtemperaturvergasungsfeuerraum auf, was zu einem zugesetzten Zustand des Feuerraums führt.
Es ist daher wünschenswert, dass die Flusskanäle für jede der Betriebsweisen durch Einstellung der Klappen V1 und V2 voneinander getrennt sind. Wenn jedoch die Durchflusskanäle in der in 5 gezeigten Weise einfach voneinander getrennt werden, sind für das Schalten der Durchflusskanäle Klappen erforderlich, die unter hoher Staubkonzentration einsetzbar sind. Daher ist es, wie in der 6 gezeigt, wünschenswert, dass ein Dampferzeugerprozess 5 und ein Staubentfernungsprozess 7 in jedem der Durchflusskanäle angeordnet sind. Mit anderen Worten: eine Bypassleitung B_P, die einen Bypass zu der zwischen dem Auslass des Niedertemperaturvergasungsprozesses und dem Einlass des Nassgasreinigungsprozesses 3b liegenden Leitung aufbaut, ist vorgesehen und die Klappen V1, V2 für das Schalten der Leitungen sind in der Hauptleitung bzw. in der Bypassleitung B_P vorgesehen. Die Dampferzeugerprozesse 5, 5a und die Staubsammler 7, 7a sind in der Hauptleitung bzw. in der Bypassleitung B_P vorgesehen.
Die in den 1 bis 6 dargestellten Systeme haben keine Begrenzung des Betriebsdrucks und können von einem leicht negativen Druck bis zu einem hohen positiven Druck betrieben werden. Wenn jedoch Abfälle unter Druck behandelt werden, ist es jedoch erforderlich, Abfälle mit verschiedenen Formen und Abmessungen zuzuführen, und ein Apparat großer Abmessungen, wie z.B. ein Bunker mit Verschluss, ist für die Abdichtung des Innenraums des Ofens erforderlich. Wenn daher ein Prozess zur Formgebung der Abfälle, wie z.B. ein RDF-Prozess, nicht durchgeführt wird, ist ein Betrieb unter atmosphärischem Druck vorzuziehen.
Wenn weiterhin in dem Material enthaltene Feuchtigkeit in dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 verdampft wird, wird latente Wärme für die Verdampfung der Feuchtigkeit während der Verdampfung absorbiert, wodurch ein großer Exergie-Verlust erzeugt wird. Insbesondere wird thermische Energie, die der Betriebstemperatur des Ofens, z.B. ungefähr 600°C, entspricht, als latente Wärme für die Verdampfung von Feuchtigkeit absorbiert und in Energie mit einer niedrigen Energie umgewandelt, die der Sättigungstemperatur bei dem Betriebsdruck des Niedertemperaturvergasungsprozesses entspricht, z.B. 100°C, wenn der Ofen bei atmosphärischem Druck betrieben wird. Um den Exergie-Verlust in dem Prozess zu unterdrücken, ist es daher effektiv, dass das Material getrocknet wird und dann in den Ofen eingebracht wird.
Die 7 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Gesamtsystems, das das System für die Erzeugung von Elektrizität mittels einer Brennstoffzelle beinhaltet. 7 zeigt das System in einem Beispiel, das einen Vergasungsprozess für die Vergasung verbrennbaren Materials, wie z.B. Abfall oder Kohle, und einen Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess für die Rückgewinnung fühlbarer Wärme aus dem bei der Vergasung erzeugten Gas aufweist, und in dem Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess rückgewonnene Wärme in Leistung umgewandelt wird, die in dem System eingesetzt wird. Das in der 7 gezeigte Gesamtsystem weist ein Reinwasserstofferzeugungssystem auf, das mit einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle kombiniert werden kann, deren Einführung in den praktischen Gebrauch bevorsteht.
Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle kann ersetzt werden durch eine Phosphorsäurebrennstoffzelle, die reinen Wasserstoff als Brennstoff benutzt. Es sollte festgehalten werden, dass eine Schmelzcarbonatbrennstoffzelle oder eine Festoxidbrennstoffzelle, die nicht nur reinen Wasserstoff, sondern auch Kohlenmonoxid als Brennstoff nutzen können, eingesetzt werden können. Im Falle der Nutzung der Schmelzcarbonatbrennstoffzelle oder der Festoxidbrennstoffzelle ist es nicht erforderlich, dass Gas bis zu einem Grad an reinem Wasserstoff zu reinigen, und daher sind Prozesse, die die Schmelzcarbonatbrennstoffzelle oder die Festoxidbrennstoffzelle nutzen, wesentlich einfacher als die Prozesse, die eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle oder eine Phosphorsäurebrennstoffzelle nutzen.
Das von dem Nassgasreinigungsprozess 3b abgegebene Produktgas 32b wird in einem ersten Kompressor 41 auf einen Druck von 0,5 bar oder höher gebracht. Das unter Druck gesetzte Gas wird über einen Entschwefelungsprozess 43 einen CO-Konvertierungsprozess 44 und einen CO-Selektivoxidationsprozess 46 auf einen zweiten Kompressor 48 geführt, in dem das von dem Selektivoxidationsprozess 46 abgegebene Gas auf einen Druck gebracht wird, der gleich oder größer ist als 4 oder 5 bar, vorzugsweise auf einen Druck gleich oder größer als 6 bar. Das von dem zweiten Kompressor 48 abgegebene Gas wird einem CO₂-Entfernungsprozess 50 zugeführt. Das von dem CO₂-Entfernungsprozess 50 abgegebene Gas 37 wird auf einen CO-Absorbier- und Entfernungsprozess 52 geführt und von dort auf einen Wasserstoffreinigungsprozess 54, in dem reiner Wasserstoff 39 erzeugt wird. Der reine Wasserstoff 39 wird einem Brennstoffzellenenergieerzeugungsprozess 56 zugeführt, in dem Elektrizität erzeugt wird.
Die Kompressionsverhältnisse der beiden Kompressoren 41, 48 können frei gewählt werden, vorausgesetzt, dass das Gas durch die Kompressoren 41, 48 auf einen Druck gleich oder größer als 4 oder 5 bar, vorzugsweise 6 bar, gebracht wird. Wenn das Gas durch einen einzigen Kompressor auf hinreichend hohen Druck gebracht wird, kann auch nur ein Kompressor vorgesehen sein. Um aber die Leistung für das Komprimieren einer großen Menge an Wasserdampf in dem Produktgas zu verringern, wird der Einsatz von zwei Kompressoren bevorzugt, von denen einer für das unter Druck setzen des Gases benutzt wird, nachdem der Wasserdampf kondensiert ist. Es ist wünschenswert, dass die Leistung für die Kompression des Produktgases von einer Dampfturbine erzeugt wird, die von in dem Dampferzeugerprozess 5 erzeugten Hochdruckdampf angetrieben wird. Obwohl bei dem in der 7 gezeigten Ausführungsbeispiel der zweite Kompressor 48 von einer Dampfturbine 49 angetrieben wird, kann der erste Kompressor 41 durch eine Dampfturbine angetrieben werden oder können der erste und der zweite Kompressor 41, 48 von koaxialer Bauart sein und von einer Dampfturbine angetrieben sein. Wenn die für den Antrieb der Kompressoren nicht alleine durch in dem System erzeugten Dampf sichergestellt werden kann, kann auch ein Elektromotor als Hilfsantrieb verwendet werden.
Eine Spurenmenge an Wasserstoffsulfid kann in dem gereinigten Gas 32b vorhanden sein, abhängig von den Betriebsbedingungen und der Betriebsregelung des Reinigungsprozesses 3b. Um eine Vergiftung des Katalysators in dem Konvertierprozess 44 und des Katalysators in dem Selektivoxidationsprozess 46 zu verhindern, ist die Bereitstellung eines Trockenentschwefelers 43 als Starkentschwefelungseinrichtung wünschenswert, um dadurch die Wasserstoffsulfidkonzentration auf 1 ppm oder niedriger zu reduzieren, vorzugsweise auf 0,1 ppm oder niedriger. Wenn in dem Vergasungsprozess Carbonylsulfid erzeugt wird, ist weiterhin die Bereitstellung eines Konverters und für die Konversion von Carbonlysulfid in Wasserstoffsulfid stromauf des Entschwefelers 43 vorzusehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Entschwefeler 43 einen mit einem Entschwefelungsmittel beschickten Behälter auf. Obwohl die Form des Behälters und das Material des Behälters nicht beschränkt sind, ist es wünschenswert, dass wegen der Temperatur und dem Druck des Gases die Form des Behälters zylindrisch ist und das Material des Behälters rostfreier Stahl ist. Als Entschwefelungsmittel wird bevorzugt: Oxide, wie z.B. Eisenoxid, Zinkoxid oder Calciumoxid, oder Aktivkoks oder ein Adsorbent wie Aktivkoks, der an seiner Oberfläche mit basischen Agentien modifiziert ist. Als Form des Entschwefelungsmittels ist eine körnige Form, eine Pellet-ähnliche Form oder eine Honigwabenform bevorzugt. Im Falle des Einsatzes von Eisenoxid kann die Entschwefelungsreaktion wie folgt ausgedrückt werden:
In dem Entschwefelungsprozess 43 und in dem Konvertierprozess 44 ist es wünschenswert, dass die Temperatur des Produktgases im Bereich von 150 bis 200°C liegt, und daher kann ein Vorwärmer 42 für das Vorwärmen des Produktgases stromauf des Entschwefelungsprozesses vorgesehen sein, wenn dies erforderlich ist.
Wie die 8 zeigt, kann als Wärmequelle für das Vorwärmen des Produktgases in dem Vorwärmer 42 ein Teil der in dem Mitteltemperatur-Fühlbare Wärme-Rückgewinnungsprozess 6 rückgewonnenen Wärme eingesetzt werden oder es in dem Konvertierprozess 44 erzeugte Wärme kann eingesetzt werden. Wenn in dem Konvertierprozess 44 erzeugte Wärme genutzt wird, kann solche Wärme auf leichte Weise durch einen Wärmeaustausch zwischen dem in dem Konvertierprozess 44 strömenden Produktgas 34 und dem von dem Konvertierprozess 44 abgegebenen Gas 35 in einem Wärmeaustauscher 58 von indirektem Kontakttyp rückgewonnen werden, der ein Wärmetauscher vom Gehäuse-Rohr-Typ ist. Wenn das Kompressionsverhältnis in dem ersten Kompressor 41 auf einen hohen Wert gesetzt wird, kann ein Gas mit einer Temperatur von 150°C oder höher durch den Temperaturanhebeeftekt erreicht werden, der durch die Kompression hervorgerufen wird, und ein Vorwärmer 42 ist dann nicht erforderlich.
Um in dem ersten Kompressor 41 verbrauchte Leistung zu sparen, ist es gemäß 11 weiterhin sinnvoll, dass ein Gaskühler 40 auf der stromauf liegenden Seite des ersten Kompressors 41 angeordnet wird, um den von dem Gasreinigungsprozess 3b abgegebenen Produktgas 32b enthaltenen Wasserdampf zu kondensieren. Es sollte jedoch festgehalten werden, dass bei Konversion von Kohlenmonoxid in Wasserstoff auf der Abstromseite des Konvertierprozesses 44 die Konversionsrate beschleunigt wird, während der Partialdruck des Wasserdampfes hoch ist; und damit ist es notwendig, dass die erforderliche Wasserdampfmenge in dem Produktgas verbleibt. Es ist daher wünschenswert, dass das Produktgas nicht auf eine Temperatur von 60°C oder niedriger in dem Gaskühler 40 heruntergekühlt wird.
Der Selektivoxidationsprozess 46 ist ein Prozess zur Entfernung von Kohlenmonoxid, das in dem Konvertierprozess 44 nicht in Wasserstoff umgewandelt worden ist und in der Größenordnung von einigen wenigen Prozenten in dem Produktgas verbleibt. Kohlenmonoxid ist eine Vergiftungskomponente für die Polymerelektrolytbrennstoffzelle und die Phosphorsäurebrennstoffzelle, und wenn die Polymerelektrolytbrennstoffzelle oder die Phosphorsäurebrennstoffzelle in dem Brennstoffzellenenergieerzeugungsprozess 56 eingesetzt wird, dann muss das Kohlenmonoxid bis auf einen Grad in der ppm-Größenordnung entfernt werden. Wenn eine Wasserstoff absorbierende Legierung in dem Wasserstoffreinigungsprozess 54 für die Aufkonzentration von Wasserstoff eingesetzt wird, stellt Kohlenmonoxid eine Vergiftungskomponente für die Wasserstoff absorbierende Legierung dar. Es sollte daher Sorge für die Entfernung von Kohlenmonoxid getragen werden. Sauerstoff wird dem Selektivoxidationsprozess 46 mit ungefähr dem dreifachen Mol-Verhältnis von Kohlenmonoxid zugeführt.
Nach dem Selektivoxidationsprozess 46 wird das Gas 36 einem CO₂-Entfernungsprozess 50 zugeführt, um CO₂ zu absorbieren und zu separieren. Wenn eine Amine enthaltende Absorptionsflüssigkeit in dem CO₂-Entfernungsprozess 50 benutzt wird, wird die Absorptionsflüssigkeit erwärmt und regeneriert. Je höher der Partialdruck des in dem Gas enthaltenen CO₂ am Einlass eines Absorptionsturms ist, der in dem CO₂-Entfernungprozess 50 eingesetzt wird, desto kleiner ist die Menge an in dem Absorptionsturm zu zirkulierender Absorptionsflüssigkeit; dies führt zu einem kompakten Absorptionsturm und verringert die für die Regeneration erforderliche Wärmemenge.
Daher wird bei der vorliegenden Erfindung die Dampfturbine 49 unter Einsatz von Druckenergie von Hochdruckdampf 60 angetrieben, der in dem Dampferzeuger 5 wiedergewonnen wird, und das aus dem Selektivoxidationsprozess 46 austretende Gas 36 wird mit einem Verbrauch an elektrischer Energie unter Druck gesetzt, der so gering wie möglich ist, und latente Wärme des aus der Dampfturbine 49 austretenden Niederdruckdampfes 61 wird als Wärme für die Regeneration der Adsorptionsflüssigkeit verwendet. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Be triebsbedingung der Dampfturbine 49 so eingestellt, dass der Druck des Niederdruckdampfes 61 im Bereich von 1,7 bis 2,7 bar eingestellt wird, so dass die Sättigungstemperatur im Bereich von 115 bis 130°C gehalten wird. Bei dieser Anordnung kann die große Menge an latenter Wärme, die sonst über den Kühlturm oder dergleichen abgeführt werden müsste, für die Aufkonzentration von CO₂ herangezogen werden.
Da der Partialdruck des Wasserstoffgases oder des Stickstoffgases in dem Produktgas 36 durch die von der Dampfturbine 49 hervorgerufene Druckerhöhung zunimmt, werden ein nachfolgender Adsorptionsprozess 52 und ein Wasserstoffreinigungsprozess 54 mittels einer Wasserstoff absorbierenden Legierung unter vorteilhaften Betriebsbedingungen durchgeführt.
Das Produktgas 37, aus dem CO₂ separiert worden ist, wird dem nachfolgenden Adsorptionsprozess 52 zugeführt, in dem Kohlenmonoxid (CO) in perfekter Weise entfernt wird, selbst wenn eine kleine Menge an CO in dem Produktgas verbleibt. Solches CO übt einen schädlichen Einfluss auf die Polymerelektrolytbrennstoffzelle aus. Danach wird das erzeugte Gas dem Wasserstoffreinigungsprozess 54 zugeführt und in dem Produktgas verbleibender Stickstoff und Argon werden entfernt, um einen reinen Wasserstoff 39 zu erhalten, der seinerseits den Brennstoffzellenenergieerzeigungsprozess 56 zugeführt wird. Luft als ein Oxidiermittel wird durch einen Kompressor 62 komprimiert und dann dem Brennstoffzellenenergieerzeigungsprozess 56 zugeleitet.
Stickstoff und Argon, die von dem Wasserstoffreinigungsprozess 54 als Oft-Gas abgegeben werden, können wirksam an verschiedenen Stellen des Vergasungsprozesses als Inertgas eingesetzt werden. Weiterhin hat das Off-Gas einen Druck von ungefähr 6 bar und kann damit als Substitut für Einsatzluft dienen.
9 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Gesamtsystems, das das in der 4 gezeigte System beinhaltet und der Erzeugung von Elektrizität durch eine Brennstoffzelle dient.
Um bei dieser Ausführungsform den Exergie-Verlust in dem Gesamtsystem zu verringern, wird das von dem Wasserstoffreinigungsprozess 54 oder dem Brennstoffzellenenergieerzeigungsprozess 56 abgegebene Off-Gas effektiv genützt. Um die Energie für die Kompression von Luft als Oxidiermittel in dem Brennstoffzellenenergieerzeigungsprozess 56 zu verringern, wird Sauerstoff durch den Kompressor 62 komprimiert und dann der Brennstoffzelle zugeführt. Auf diese Weise kann die Kompressionsenergie auf rund 1/5 reduziert werden. Da der Einsatzfaktor von Sauerstoff höchstens ungefähr 50% in einem Durchgang in dem Brennstoffzellenenergieerzeigungsprozess 56 ist, wird das Kathoden-Oft-Gas 71 zirkuliert und eingesetzt.
Im Falle des Einsatzes einer PSA (pressure swing adsorption; Druckwechseladsorption) als eine Sauerstoff erzeugende Vorrichtung beträgt die die Sauerstoffkonzentration ungefähr 93% und der Rest ist Stickstoff. Im Falle der Zirkulierung und des Einsatzes des Oft-Gases 71 ist es daher erforderlich, Stickstoff nach außen aus dem System abzugeben. Es ist zweckmäßig Stickstoff enthaltendes Sauerstoffgas, das von der Kathodenzirkulationsleitung in dem Brennstoffzellenenergieerzeigungsprozess 56 abgenommen wird, als Oxidationsmittel in dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 und dem Hochtemperaturvergasungsprozess 2 einzusetzen. Dieses Kathoden-Oft-Gas hat einen Druck von ungefähr 6 bar und es ist daher kein Druckerhöhungsgebläse erforderlich, selbst wenn eine Wirbelbettfeuerung in dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 eingesetzt wird. Wenn das Kathoden-Oft-Gas als Menge für ein Fluidisiergas unzureichend ist, werden Stickstoffgas und Argongas, die unter einem bestimmten Druck aus dem Wasserstoffreinigungsprozess 54 austreten, dem Kathoden-Off-Gas zugesetzt, um eine ausreichende Gasmenge bereitzustellen. Da das Kathoden-Oft-Gas 71, das Stickstoffgas und das Argongas einen Druck von ungefähr 6 bar aufweisen, werden sie auf eine Expansionsturbine zur Rückgewinnung von Energie geführt, ehe sie dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 oder Hochtemperaturvergasungsprozess 2 zugeführt werden.
Durch Zirkulierung und Einsatz des von dem Prozess abgegebenen Oft-Gases in der vorstehend beschriebenen Weise kann das aus dem System nach außen ab geführte Material verringert werden und dieser Effekt ist nicht vernachlässigbar. Die thermische Energie oder die Druckenergie, die das aus dem System abgegebene undabgeführte Material begleitet, kann verringert werden; daher ist dieses Verfahren geeignet für eine Energierückgewinnung mit hohem Wirkungsgrad. Bei der in der 9 gezeigten Ausführungsform wird Niederdruckdampf erzeugt, indem durch die Gaskühler 57, 58 und 59 gewonnene Wärme eingesetzt wird; der Niederdruckdampf wird als Vergasungsmittel eingesetzt.
10 ist ein Diagramm zur Darstellung eines das in der 4 gezeigte System enthaltenden Systems zur Erzeugung von elektrischer Energie, mittels einer Brennstoffzelle. Die 10 zeigt die Ausführungsform, die für eine Materialzirkulation besser geeignet ist als die in der 9 gezeigte Ausführungsform. Das Produktgas 32b hinter dem Nassgasreinigungsprozess 3b enthält eine große Menge an Wasserdampf und daher wird nur Wasserdampf in dem Produktgas in einem Wasserdampfabtrennprozess 70 abgetrennt, nachdem das Produktgas 32b in dem ersten Kompressor 41 unter Druck gesetzt wird. Dann wird der abgetrennte Wasserdampf in dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 oder dem Hochtemperaturvergasungsprozess 2 als Vergasungsmittel eingesetzt. Der Wasserdampfabtrennprozess 70 kann eine Trennmembran für das Abtrennen von Wasserdampf (Wasserdampfabtrennmembran) verwenden, die bereits im praktischen Einsatz ist. 11 ist ein Flussdiagramm, das dieses System zeigt.
Je größer im Falle des Einsatzes der Trennmembran in dem Wasserabtrennprozess 70 die Differenz des Partialdrucks im Wasserdampf zwischen den beiden Seiten der Membran ist, desto größer ist die Dampfmenge, die durch die Membran hindurch tritt pro Flächeneinheit der Membran. Es ist daher wünschenswert, das Kompressionsverhältnis in dem ersten Kompressor 41 groß zu machen. Wenn jedoch das Kompressionsverhältnis in dem ersten Kompressor 41 groß ist, ist der Leistungsverbrauch groß. Daher ist, wie in der 11 gezeigt, ein Gaskühler 40 vorgesehen, falls dies erforderlich ist. Der Gaskühler stellt die Kühltemperatur des Gases ein, wodurch die Wasserdampfmenge in dem Produktgas sichergestellt ist, die in dem Wasserdampfabtrennprozess 70 und in dem Konvertierprozess 44 erforderlich ist. Wie in der 12 gezeigt, wird der Wasserdampf in dem erzeugten Gas in dem Gaskühlprozess 59 gekühlt und das kondensierte Wasser wird in einem Wassertank 85 zur weiteren Nutzung aufgefangen.
Bei der Ausführungsform gemäß 10 wird zur Druckerhöhung des Sauerstoffs die Druckenergie des Stickstoffgases eingesetzt, das das Oft-Gas des Wasserstoffreinigungsprozesses 54 ist. Nach den Berechnungen der Erfinder dieser Anmeldung wird Stickstoffgas mit einer 1,5 bis 3-fachen Strömungsrate bezogen auf den zu komprimierenden Sauerstoff von dem Wasserstoffreinigungsprozess 54 als Oft-Gas abgegeben und weist eine ausreichende Energie für die Sauerstoffkompression auf.
In der vorliegenden Erfindung wird eine Vielzahl von Prozessen für die Druckerhöhung des Produktgases oder dergleichen vorgesehen, bei denen Druckenergie in den Prozessen genutzt wird, und die Strömungsraten von Expansionsgas und zu komprimierendem Gas in diesen Prozessen sind proportional zu der Zufuhrrate des Materials „a". Daher kann alle Druckenergie wirksam genutzt werden, unabhängig von der Fluktuation der Strömungsrate, indem die Dampfturbine, die Expansionsturbine und die Kompressoren mit einer einzigen Welle verbunden werden. Wenn die Kompressionsenergie in nicht ausreichender Weise allein durch das Expansionsgas zur Verfügung gestellt werden kann, kann ein elektromotorischer Antrieb als Hilfsantrieb benutzt werden. Weiterhin können entsprechend der Strömungsrate eines jeden Gases die Dampfturbine, die Expansionsturbine und die Kompressoren in geeigneter Weise kombiniert werden und es können daher zwei Wellen oder drei Wellen benutzt werden oder es kann ein elektromotorischer Antrieb als Hilfsantrieb vorgesehen sein.
In den in den 7, 8 und 9 gezeigten Ausführungsformen wird eine Technologie für die Erwärmung von Hochtemperaturluft, die von den Erfindern der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen worden ist, eingesetzt, um ein Fluidisiergas zu erwärmen, indem rückgewonnene Wärme als ein Teil der Vergasungswärme benutzt wird und das Sauerstoffverhältnis in dem Niedertemperaturvergasungsprozess 1 verringert wird, wodurch der Kaltgas-Wirkungsgrad angehoben wird. Wenn alle Vergasungswärme durch rückgewonnene fühlbare Wärme zur Verfügung ge stellt wird, wird jedoch die Menge an Fluidisiergas enorm groß, die für die Anhebung der Temperatur in dem Hochtemperaturprozess auf ungefähr 1.350°C erforderliche Wärmemenge wird sehr hoch, wodurch der Kaltgaswirkungsgrad herabgesetzt wird. Daher wird in der vorliegenden Erfindung die fühlbare Wärme in einer Menge zurückgewonnen, die der für die Fluidisierung erforderlichen Gasmenge entspricht.
Wenn gereinigter Wasserstoff der Brennstoffzelle zugeführt wird, ist ein Wasserstoff mit einem höheren Druck vorzuziehen und im Allgemeinen sollte der Wasserstoff auf einen Druck von ungefähr 6 bar gebracht werden. In dem Prozess der vorliegenden Erfindung können die Einrichtungen oder die Ausrüstung in dem Gasreinigungsprozess kompakt sein, da das Produktgas, aus dem CO₂ abgetrennt wird, dem Gasreinigungsprozess nach einer Druckerhöhung des Prozessgases zugeführt wird. Die Eigenverbrauchsrate kann verringert werden. Obwohl Extraenergie für die Druckerhöhung eines Gases anders als Wasserstoff erforderlich ist, besteht das Oft-Gas nach der Abtrennung von Wasserstoff im wesentlichen aus Stickstoff und es kann unter Aufrechterhaltung des Druckes wiedergewonnen werden. Daher kann das Oft-Gas als Spülgas in dem Vergasungsofen oder als Ersatz für Einsatzluft (instrument air) dienen. Für den Fall, dass die rückgewonnene Stickstoffmenge sehr groß ist, kann die Sauerstoffkonzentration der dem Vergaser zugeführten Luft eingestellt werden, um die Menge des dem System zugeführten Stickstoffes einzustellen. Die Energie für Druckerhöhung kann durch in den Prozessen erzeugten Dampf bereitgestellt werden.
Obwohl in dem üblichen Prozess latente Wärme von Niederdruckdampf in dem Kondensator abgeführt worden ist, kann solche latente Wärme in dem CO₂-Absorptionsprozess (CO₂-Abtrennungsprozess) eingesetzt werden und CO₂ kann mit hoher Reinheit wiedergewonnen werden. Wenn CO₂ effektiv genutzt wird, kann damit eine Verhinderung der Erwärmung der Erdtemperatur erreicht werden.
Als nächstes sollen die Strukturen von Öfen, die für den Niedertemperaturvergasungsprozess 1 und den Hochtemperaturvergasungsprozess 2 gemäß 1 bis 12 geeignet sind, in Bezugnahme auf die 13 und 14 nachfolgend beschrieben werden.
13 ist eine schematische perspektivische Schnittdarstellung eines Wirbelbettvergasungsofen 80, der für den Niedertemperaturvergasungsprozess 1 genutzt wird, und eines Schmelzverbrennungsofens 90, der für den Hochtemperaturvergasungsprozess 2 genutzt wird. 14 ist eine schematische Vertikalschnittansicht des in der 13 gezeigten Wirbelbettvergasungsofens 80.
Wie in den 13 und 14 dargestellt, ist ein konische Verteilerplatte 76 am Ofenboden des Wirbelbettvergasungsofens 80 angeordnet. Die Fluidisiergaszufuhr durch die Verteilerplatte 76 umfasst eine mittige Fluidisiergaszufuhr 207, die über einen mittigen Bereich des Ofenbodens dem Innenraum des Ofens als eine nach oben gerichtete Strömung zugeführt wird, und eine Randfluidisiergaszufuhr 208, die von einem Randbereich 203 am Ofenboden dem Innenraum des Ofens als eine nach oben gerichtete Strömung zugeführt wird. Die Gesamtmenge an Sauerstoff in all dem Fluidisiergas wird auf 5% oder größer und 30% oder niedriger der theoretischen Menge an Sauerstoff eingestellt, die für die Verbrennung des Materials, wie z.B. Abfall oder Kohle, erforderlich ist. Damit wird der Innenraum des Ofens 80 unter einer reduzierenden Atmosphäre gehalten.
Die Massengeschwindigkeit des mittigen Fluidisiergasstroms 207 wird kleiner eingestellt als der Randfluidisiergasstrom 208. Die nach oben gerichtete Strömung des Fluidisiergases in einem oberen Randbereich des Feuerraums wird in einen mittigen Bereich des Feuerraums durch einen Deflektor 206 umgelenkt. Damit wird ein absteigendes Wirbelbett 209 aus fluidisiertem Medium (im Allgemeinen Silikatsand) in dem mittigen Bereich des Feuerraums gebildet und ein aufsteigendes Wirbelbett 210 bildet sich im Randbereich des Feuerraums. Wie durch die Pfeile 118 dargestellt, steigt fluidisiertes Medium in dem aufsteigenden Wirbelbett 210 im Randbereich des Feuerraums auf und wird durch den Deflektor 206 in einen oberen Teil des absteigenden Wirbelbetts 209 umgelenkt und steigt in dem absteigenden Wirbelbetts 209 ab. Wie durch die Pfeile 112 dargestellt, bewegt sich das fluidisierte Medium längs der Fluidisiergasverteilerplatte 76 und bewegt sich in einen unteren Abschnitt des aufsteigenden Wirbelbetts hinein. Auf diese Weise zirkuliert das fluidisierte Medium in dem aufsteigenden Wirbelbett 210 und in dem absteigenden Wirbelbett 209, wie dies durch die Pfeile 118, 112 dargestellt ist.
Während das Material, das dem oberen Bereich des fallenden Wirbelbetts 209 über eine Dosieraufgabe 102 zugeführt wird, mit dem fluidisierten Medium in dem absteigenden Wirbelbett 209 absteigt, werden die Materialien unter Erwärmung durch das fluidisierte Medium verflüchtigt. Da kein oder wenig Sauerstoff in dem fallenden Wirbelbett 209 vorhanden ist, wird das flüchtige Material (erzeugtes Gas), das durch Pyrolyse erzeugt worden ist, nicht verbrannt und strömt durch das absteigende Wirbelbett 209 hindurch, wie dies durch Pfeile 116 dargestellt ist. Daher stellt das absteigende Wirbelbett 209 eine Vergasungszone G dar. Die flüchtigen Bestandteile steigen, wie durch den Pfeil 120 dargestellt, in einen Freiraum 89 auf und werden über einen Gasauslass 108 abgezogen.
Koks (Festkohlenstoff) und Teer 114, die in dem absteigenden Wirbelbett 209 erzeugt worden sind, bewegen sich mit dem fluidisierten Medium von dem unteren Teil des absteigenden Wirbelbetts 209 zu dem unteren Teil des aufsteigenden Wirbelbetts 210 im Randbereich des Feuerraums, wie dies durch die Pfeile 112 gezeigt ist, und werden durch das eine relativ große Sauerstoffkonzentration aufweisende Randfluidisiergas 208 teiloxidiert. Daher stellt das aufsteigende Wirbelbett 210 eine Oxidationszone S dar. In dem aufsteigenden Wirbelbett 210 wird das fluidisierte Medium durch die Wärme erwärmt, die bei Oxidation des Kokses (Festkohlenstoff) erzeugt wird. Das erwärmte fluidisierte Medium wird am Deflektor 206 umgelenkt, wie dies durch die Pfeile 118 dargestellt ist, und auf das absteigende Wirbelbett 209 übertragen, wo es als Wärmequelle für die Verflüchtigung dient. Auf diese Weise wird das Wirbelbett 209 auf einer Temperatur im Bereich von 500 bis 600°C gehalten. Eine ringartige Abzugsöffnung 205 für den Abzug von Unverbrennlichem ist am Randbereich am Feuerraumboden des Wirbelbetttvergasungsofens 80 ausgebildet.
In dem Wirbelbettvergasungsofen 80 gemäß 13 und 14 werden die Vergasungszone G und die Oxidationszone S in dem Wirbelbett ausgebildet und das fluidisierte Medium zirkuliert in beiden Zonen. Weil das fluidisierte Medium als Wärmeübertragungsmedium dient, wird ein verbrennbares Gas mit einem hohen Heizwert in der Vergasungszone G erzeugt und Koks und Teer, die schwierig zu vergasen sind, werden effektiv in der Oxidationszone S verbrannt. Daher kann der Vergasungswirkungsgrad für die Materialien verbessert werden und brennbares Gas (Pyrolysegas) von guter Qualität kann erzeugt werden.
Der Gasauslass 108 des Wirbelbettvergasungsofens 80 ist mit dem Gaseinlass 142 eines Schmelzverbrennungsofens 90 verbunden. Der Schmelzverbrennungsofen 90 weist eine zylindrische Primärverbrennungskammer 94 mit einer im wesentlichen vertikalen Achse und eine Sekundärverbrennungskammer 95 auf, die in einer horizontalen Richtung geneigt ist. Das Gas und Feinteilchen, die in dem Wirbelbettvergasungsofen 80 erzeugt werden, werden über den Gaseinlass 142 der Primärverbrennungskammer 94 so zugeführt, dass sie um die Achse der Kammer wirbeln.
Die Primärverbrennungskammer 94 weist einen an ihrem oberen Ende montierten Zündbrenner 132 und eine Vielzahl von Luftdüsen 134 für die Zufuhr von Verbrennungsluft auf, so dass die Verbrennungsluft um die Achse der Verbrennungskammer 94 wirbelt. Die Sekundärverbrennungskammer 95 weist einen Hilfsbrenner 136 auf, der in der Nähe der Verbindung zwischen der Primärverbrennungskammer 94 und der Sekundärverbrennungskammer 95 angeordnet ist, und Luftdüsen 134 für die Zufuhr von Verbrennungsluft auf. Eine Tertiärverbrennungskammer 96 steht mit der Sekundärverbrennungskammer 95 an deren unteren Ende in Verbindung. Eine Auslassöffnung 97 ist zwischen der Sekundärverbrennungskammer 95 und der Tertiärverbrennungskammer 96 für den Ablass von geschmolzenen Aschegehalten versehen. Weiterhin ist ein Gasauslass 154 oberhalb der Auslassöffnung 97 vorgesehen. Eine Strahlungsplatte 162 ist in der Tertiärverbrennungskammer 96 zur Verringerung der Hitze vorgesehen, die durch Strahlung über die Auslassöffnung 154 verloren gehen würde.
Mit dem Wirbelbettvergasungsofen 80 und dem Schmelzverbrennungsofen 90 gemäß 13 und 14 kann eine zweistufige Vergasung von Abfall in bevorzugter Weise durchgeführt werden.
Die 15 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung eines Systems für die Nutzung von Druckenergie eines unter Druck stehenden Gases gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 15 zeigt die Verbindungsstruktur von Dampfturbinen, Expansionsturbinen und Kompressoren. Die Dampfturbine 49, die Expansionsturbine 65 für Kathoden-Oft-Gas eines Brennstoffzellenprozesses, die Expansionsturbine 66 für Oft-Gas eines Wasserstoffreinigungsprozesses, die Expansionsturbine 67 für Hochdruckwasserstoffgas, der erste Kompressor 41 für erzeugtes Gas, der zweite Kompressor 48 für erzeugtes Gas, der Kompressor 63 für Sauerstoff und das Gebläse 64 für die Zirkulation von Kathoden-Oft-Gas sind mit einem Motor M über Getriebe G verbunden. Durch diese Verbindung ist die von einer Vielzahl von Expansionsturbinen erzeugte Energie nicht verschwendet und kann effektiv genutzt werden. Um die auf die Welle ausgeübte Druckbeanspruchung zu reduzieren, sind die Turbinen und die Kompressoren in Abhängigkeit von ihrem Leistungsgrad angeordnet, so dass die Baugruppe, die den größeren Leistungsbedarf hat, näher an den Motor M angeordnet ist. Weiterhin können zur Anpassung der Drehgeschwindigkeit zwischen der Turbine und dem Kompressor Getriebe vorgesehen sein. Weiterhin müssen die Turbinen und die Kompressoren nicht notwendigerweise in der in der 15 dargestellten Weise angeordnet sein, und wenn es notwendig ist, kann jede der Turbinen und jeder der Kompressoren unabhängig voneinander angeordnet sein.
Wie vorstehend beschrieben, wird bei Erzeugung von Wasserstoff aus verbrennbaren organischen Abfällen und bei Erzeugung von elektrischer Leistung in einer Brennstoffzelle in den Prozessen erzeugte Hochtemperaturwärme als fühlbare Wärme oder chemische Energie wieder gewonnen und die wieder gewonnene fühlbare Wärme oder chemische Energie wird als Wärme für Pyrolyse genutzt, und latente Wärme aus Dampf wird effektiv für die Wasserstoffreinigung oder die CO₂-Konzentration genutzt und auch wird Leistung aus Druckenergie zurück gewonnen. Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Materialbehandlungs system bereitgestellt, in dem die in brennbaren Materialien vorhandene Energie so effektiv wie möglich genutzt werden kann, eine optimale Kombination von Prozesseinheiten durchgeführt werden kann und ein Exergie-Verlust verringert werden kann und ein Betriebsstillstand nicht notwendig ist.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung wird vorzugsweise für eine Technologie zur Rückgewinnung chemischer Energie aus Abfällen oder Verbrennlichen, wie z.B. Kohle, mit einem hohen Wirkungsgrad eingesetzt, in der verschiedene Abfälle oder Verbrennliche zur Reduzierung ihres Volumens ohne vollständige Verbrennung der Abfälle oder der Verbrennlichen oder einer Veraschung der Abfälle oder der Verbrennlichen in einem Schritt, wie z.B. Pyrolyse, Teilverbrennungs- oder Vergasungsreaktion, behandelt werden, um dadurch Wärme zu erzeugen und die erzeugte Wärme effektiv einzusetzen und ein Produktgas von hoher Einsatzqualität zu erzeugen.

Claims

Verfahren zur Vergasung von Material, wobei Folgendes vorgesehen ist: ein Vergasungsprozess für Pyrolyse oder Vergasung von Material zur Erzeugung von Gas; ein Rückgewinnungsprozess für fühlbare Wärme zur Rückgewinnung von fühlbarer Wärme des in dem Vergasungsprozess erzeugten Gases durch Wärmeaustausch zwischen dem in dem Vergasungsprozess erzeugten Gas und einem Vergasungsmittel für den Vergasungsprozess; und ein Zufuhrprozess für die Zufuhr des Vergasungsmittels zu dem Vergasungsprozess, um die in dem Rückgewinnungsprozess für fühlbare Wärme rückgewonnene fühlbare Wärme dem Vergasungsprozess zuzuführen.
Verfahren zur Vergasung von Material, wobei Folgendes vorgesehen ist: ein Niedertemperaturvergasungsprozess für Pyrolyse und Vergasung des Materials durch Teilverbrennung des Materials bei einer von 400 bis 1000°C reichenden Temperatur; ein Hochtemperaturvergasungsprozess zur Vergasung gasförmigen Materials, das bei der Niedertemperaturvergasung erhaltendenen Feststoff enthält, bei einer von 1200 bis 1500°C reichenden Temperatur zur Erzeugung von Gas; und ein stromab des Hochtemperaturvergasungsprozesses vorgesehener Wärmerückgewinnungsprozess für die Durchführung eines Wärmeaustausches zwischen dem in dem Hochtemperaturvergasungsprozess erzeugten Gas und einem Vergasungsmittel für wenigstens einen von dem Niedertemperaturvergasungsprozess und dem Hochtemperaturvergasungsprozess zur Rückgewinnung von Wärme, um dadurch das Vergasungsmittel vorzuwärmen.