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Die vorliegende Erfindung betrifft ein vergasendes
Verbrennungsverfahren zum Vergasen von Rohbrennstoff,
wie Schweröl, Kohle und dgl., und zu seiner Verwendung
als Arbeitsbrennstoff in einem kombinierten Zyklus oder
Kreislauf unter Verwendung beispielsweise einer
Gasturbine, und sie bezieht sich auch auf ein vergasendes
Energieerzeugungsverfahren.
Beschreibung des Stands der Technik:
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Fig. 4 ist eine schematische Systemdarstellung eines
Beispiels einer Vorrichtung zur Durchführung eines
vergasenden Verbrennungsverfahrens nach dem Stand der Technik,
wie er in Electricity International, Juni 1989, S. 13-17,
in VGB Kraftwerkstechnik 69, Nr. 7, Juli 1989, S. 553-557
und 575-579, angegeben ist.
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Gemäß dieser Figur werden zunächst Kohle 310 und ein
Entschwefelungsmittel 311 einem
Wirbelschicht-Vergasungsofen 301 zugeführt, in welchem die Kohle 310 vergast
und eine Schwefelkomponente in der Kohle durch das
Entschwefelungsmittel 311 als Calciumsulfid (CaS) fixiert
wird. Das durch Vergasung der Kohle 310 erzeugte
brennbare Gas 313a wird in einer Staubentfernungsvorrichtung
bzw. einem Entstäuber 303a entstäubt. Nach dem Entstäuben
wird das brennbare Gas 313b in eine sekundäre
Verbrennungseinheit 305 eingespeist.
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Andererseits werden ein Gemisch 315a aus
Verkohlungsprodukt (char), das aus der Kohle ohne Vergasung im
Wirbelschicht-Vergasungsofen 301 entstanden ist, und
Entschwefelungsmittel sowie ein Gemisch 315b aus
Verkohlungsprodukt und Entschwefelungsmittel, im Entstäuber 303a
gesammelt, einem Wirbelschicht-Verbrennungsofen 302
zugespeist, der auch mit Luft 312b gespeist wird; dabei
laufen eine Verbrennungsreaktion von Verkohlungsprodukt
und eine Reaktion von Calciumsulfid, das oxidiert und in
Gips (CaSO&sub4;) überführt wird, ab. Weiterhin ist in die
Wirbelschicht des Wirbelschicht-Verbrennungsofens 302 ein
Wärmetauscher 307 eingebaut, wobei die
Wirbelschichttemperatur durch Kühlung mit Dampf oder Wasser 318 geregelt wird.
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Das im Wirbelschicht-Verbrennungsofen 302 erzeugte
Verbrennungsgas 314a wird mittels eines Entstäubers 303b
entstäubt. Nach dem Entstäuben wird Verbrennungsgas 314b der
genannten sekundären Verbrennungseinheit 305 eingespeist,
in welcher das im Wirbelschicht-Vergasungsofen 301
erzeugte brennbare Gas 313b mit Restsauerstoff in dem vom
Wirbelschicht-Verbrennungsofen 302 eingeführten
Verbrennungsgas 314b und getrennt zugespeister Luft 312c verbrannt
wird, während das entstehende Verbrennungsgas 317
beispielsweise einer (nicht dargestellten) Gasturbine
zugespeist wird.
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Eine Aschekomponente der Kohle 310 und das
Entschwefelungsmittel 311 nach der Entschwefelung werden als
Extraktionsasche 316a vom Boden des
Wirbelschicht-Verbrennungsofens 302 bzw. als Abführasche 316b vom Entstäuber
303b zur Außenseite des Systems entfernt bzw. abgeführt.
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Wenn die Menge an Verbrennungsgas 317 erhöht werden
soll, wird die Menge an dem Wirbelschicht-Vergasungsofen
301 zugespeister Kohle 310 und Luft 312a vergrößert. Dabei
vergrößert sich die Menge an Verkohlungsprodukt und
Entschwefelungsmittel 315a, die vom
Wirbelschicht-Vergasungsofen 301 dem Wirbelschicht-Verbrennungsofen 302 zugeführt
werden. Entsprechend der vergrößerten Menge an in den
Wirbelschicht-Verbrennungsofen 302 eingeführtem
Verkohlungsprodukt (char) wird die Zuführmenge an Luft 312b
erhöht. Wenn dagegen die Menge an Verbrennungsgas 317
verringert werden soll, wird die Menge an dem
Wirbelschicht-Vergasungsofen 301 zugespeistem Gas 310 und
zugespeister Luft 312a verringert, worauf entsprechend der
verringerten Menge an in den
Wirbelschicht-Verbrennungsofen 302 eingeführtem Verkohlungsprodukt die
Zuführmenge an Luft 312b herabgesetzt wird.
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Als nächstes ist ein Verfahren zur elektrischen
Energieerzeugung unter Verwendung von Schweröl anhand von
Fig. 5 beschrieben.
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Schweröl 601 wird durch eine Druckpumpe 502 unter
Druck gesetzt und dann einem Vergasungsofen 525
zugespeist, in welchem ein Teil des Brennstoffs 601 mit
Druckluft 607 verbrannt und Kohle vergast und in gasförmigen
Brennstoff überführt wird, indem die Verbrennung als
Wärmequelle genutzt wird. Das im Vergasungsofen 525
erzeugte brennbare Gas 608 wird durch Wärmeaustausch mit
Wasser 610 in einem Wärmetauscher 524 auf 350 - 450ºC
gekühlt. Nach dem Kühlen wird brennbares Gas 608 einer
Entstäubungsbehandlung in einem porösen Filter 505
unterworfen und in ein Gas mit einer Staubkonzentration von etwa
1 mg/Nm³ oder weniger überführt, das einer
Entschwefelungsvorrichtung 526 zugeführt wird, in welcher im brennbaren
Gas 608 enthaltenes H&sub2;S mittels eines
Entschwefelungsmittels der Eisenoxidgruppe beseitigt wird. Nach der
Entstäubung und Entschwefelung wird brennbares Gas 608a einer
Verbrennungseinheit 507 zugeführt und in dieser mit
Druckluft 607c zu einem Verbrennungsgas 609 verbrannt,
dessen Temperatur auf 1150 - 1300ºC gehalten und das
einer Gasturbine 509 für den Antrieb derselben zugespeist
wird.
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Der Druck des der Gasturbine 509 zugespeisten
Verbrennungsgases 609 wird so bestimmt, daß ein Lieferende-
Wirkungsgrad (sending end efficiency) des
Energieerzeugungssystems eine maximale Größe annehmen kann, sobald
die Temperatur des Verbrennungsgases 609 bestimmt ist.
Die Energie des Verbrennungsgases 609 wird an die
Gasturbine 509 abgegeben; die Erzeugung elektrischer Energie
erfolgt durch Antreiben eines Generators 517 mit dieser
Energie. Die Wärme des Verbrennungsgases 609a am Auslaß
der Gasturbine 609 wird in einem Abgasboiler oder -kessel
610 auf Wasser 610 übertragen, und nachdem seine
Temperatur auf 120 - 130ºC gesenkt worden ist, wird es über
ein(e) Rauchrohr oder Esse 514 zur Atmosphäre entlassen.
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Im Abgaskessel 510 ist ein Wärmetauscher 521
angeordnet, in den Wasser 610, welches das brennbare Gas 608
gekühlt hat, eingespeist wird; im Abgaskessel 510 wird
die Wärmeenergie vom genannten Verbrennungsgas 609a auf
das Wasser 610, das im Wärmetauscher 524 durch das
brennbare Gas 608 erwärmt worden ist, übertragen, wodurch das
Wasser 610 in Dampf 611 überführt wird. Die Energie des
Dampfes 611 wird an eine Dampfturbine 511 abgegeben,
wobei die Erzeugung elektrischer Energie durch Antrieb
eines Generators 518 mit dieser Energie erfolgt.
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Unverbrannter Kohlenstoff und Ascheanteil, die im
Vergasungsofen 525 entstehen, werden aus letzterem über
eine Rohrleitung 612 und Trichter (hoppers) 515c und 516c
als Abführasche 605a aus dem System heraus abgeführt.
Weiterhin werden Ruß und Staub, die mittels des porösen
Filters 505 aus dem brennbaren Gas 608 abgetrennt worden
sind, über eine Rohrleitung 617 und Trichter 515d und 516d
als Abführasche 605b aus dem System heraus abgeführt.
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Mit der Bezugsziffer 508 ist ferner ein unmittelbar
mit der Gasturbine 509 verbundener Kompressor bzw.
Verdichter bezeichnet, der die Ansaugluft 603 zu verdichten und
die verdichtete Ansaugluft 607c der Verbrennungseinheit
507 und die verdichtete Luft oder Druckluft 607 dem
Vergasungsofen 525 zuzuspeisen vermag.
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Beim bekannten, in Fig. 4 veranschaulichten
vergasenden Verbrennungsverfahren ist jedoch ein Wärmetauscher 307
zum Regeln einer Verbrennungstemperatur in den
Wirbelschicht-Verbrennungsofen 302 eingebaut. Folglich wird
ein Teil der Energie des Brennstoffs unmittelbar durch
eine Dampfturbine gesammelt bzw. abgenommen, ohne in Form
fühlbarer Wärme des Verbrennungsgases einer Gasturbine
zugeführt zu werden; demzufolge bestand dabei ein Problem
dahingehend, daß ein Energieerzeugungswirkungsgrad um die
Größe entsprechend der Nichtnutzung (unuse) der Gasturbine
herabgesetzt ist.
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Da weiterhin bei diesem bekannten Verfahren die Menge
an Luft 312b im Wirbelschicht-Verbrennungsofen 302
entsprechend der Zunahme oder Verringerung der Menge an
Abführ-Verkohlungsprodukt aus dem
Wirbelschicht-Vergasungsofen 301 geregelt wird, ist eine Änderungsgeschwindigkeit
der Menge an Verbrennungsgas 317 niedrig.
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Da ferner die Änderung der Überführungsmenge an
Verkohlungsprodukt (char) zwischen dem
Wirbelschicht-Vergasungsofen 301 und dem Wirbelschicht-Verbrennungsofen 302 mittels
eines Verteilungsverhältnisses einer festen Menge an Luft
312 zwischen dem Wirbelschicht-Vergasungsofen 301 und dem
Wirbelschicht-Verbrennungsofen 302 geregelt wird, um die
Temperatur des Verbrennungsgases 317 auf einer konstanten
Größe zu halten, bestand dabei ein Nachteil darin, daß im
Fall einer Änderung der Menge an Verbrennungsgas 317 die
Regelung oder Steuerung der verschiedenen Reaktoren (Öfen)
sehr kompliziert wird.
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Da darüber hinaus beim herkömmlichen
Energieerzeugungsverfahren gemäß Fig. 5 Eisenoxide als in der
Entschwefelungsvorrichtung einzusetzendes Entschwefelungsmittel
benutzt wurden, lag die Entschwefelungstemperatur bevorzugt
bei 400 - 450ºC. Zu diesem Zweck war es nötig, das im
Vergasungsofen erzeugte brennbare Gas auf 400 - 450ºC zu
kühlen. Da das brennbare Gas, wie erwähnt, von der
Temperatur am Auslaß des Vergasungsofens auf 400 - 450ºC
(ab)gekühlt werden mußte, kann ein Teil der Wärmeenergie des
im Vergasungsofen erzeugten brennbaren Gases nicht als
Energie für den Antrieb einer Gasturbine genutzt werden,
sondern wird für das Erwärmen des Dampfes für den Antrieb
einer Dampfturbine eingesetzt; beim beschriebenen
herkömmlichen System konnte daher ein
Energieerzeugungswirkungsgrad einer kombinierten elektrischen
Energieerzeugungsanlage, in welcher eine Gasturbine und eine
Dampfturbine in Kombination miteinander eingesetzt sind, nicht
den theoretischen Höchstwert erreichen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist damit die
Schaffung eines vergasenden Verbrennungsverfahrens und
eines vergasenden Energieerzeugungsverfahrens, mit denen
die oben geschilderten Probleme bei derartigen Verfahren
nach dem Stand der Technik gelöst werden können.
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Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung ist
deren Gegenstand ein verbessertes vergasendes
Verbrennungsverfahren, umfassend die Schritte des Einführens von
Brennstoff, Entschwefelungsmittel und Luft in einen
Wirbelschicht-Vergasungsofen zwecks Vergasung eines Teils des
Brennstoffs, des Leitens des erzeugten verbrennbaren
Gases in eine Verbrennungseinheit (combustor), ferner des
Leitens des restlichen, im Wirbelschicht-Vergasungsofen
nicht vergasten Brennstoffs zu einem Wirbelschicht-
Verbrennungsofen gemeinsam mit dem Entschwefelungsmittel,
um ihn mit getrennt zugespeister Luft zu verbrennen, des
Leitens des erzeugten Verbrennungsgases in die
Verbrennungseinheit und Verbrennens des verbrennbaren Gases mit
dem Verbrennungsgas und getrennt zugespeister Luft in der
Verbrennungseinheit.
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Gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung
ist deren Gegenstand das oben umrissene vergasende
Verbrennungsverfahren, bei dem die Gesamtmenge an Luft,
welche dem Wirbelschicht-Vergasungsofen, dem
Wirbelschicht-Verbrennungsofen und der Verbrennungseinheit
zugespeist wird, auf die Luftmenge eingestellt wird, die
zur Aufrechterhaltung der Temperatur der
Verbrennungseinheit erforderlich ist.
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Gemäß noch einem anderen Merkmal der vorliegenden
Erfindung ist deren Gegenstand das zuletzt umrissene
vergasende Verbrennungsverfahren, bei dem eine Luftmenge,
die dem Wirbelschicht-Vergasungsofen unmittelbar
zugespeist wird, so eingestellt oder geregelt wird, daß die
Temperatur des Vergasungsofens auf einer vorbestimmten
Größe bleibt, eine dem Wirbelschicht-Verbrennungsofen
unmittelbar zugespeiste Luftmenge so eingestellt oder
geregelt wird, daß die Temperatur des Verbrennungsofens
auf einer vorbestimmten Größe bleibt, und eine der
Verbrennungseinheit unmittelbar zugespeiste Luftmenge so
eingestellt oder geregelt wird, daß sie einer Luftmenge
entspricht, die durch Subtrahieren der dem Wirbelschicht-
Vergasungsofen und dem Wirbelschicht-Verbrennungsofen
unmittelbar zugespeisten Luftmenge von der Gesamtluftmenge
erhalten wird.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden
Erfindung ist deren Gegenstand ein verbessertes vergasendes
Energieerzeugungsverfahren, umfassend die Schritte des
zuerst umrissenen vergasenden Verbrennungsverfahrens sowie
die weiteren Schritte des Antreibens einer Gasturbine mit
dem von der obengenannten Verbrennungseinheit erzeugten
Verbrennungsgas, des Antreibens einer Dampfturbine mit
Dampf, der mittels des aus der Gasturbine austretenden
Verbrennungsgases erzeugt wird, und des Drehantreibens
elektrischer Generatoren durch die betreffenden der
beiden Turbinen zur Realisierung der Energieerzeugung.
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Beim vergasenden Verbrennungsverfahren gemäß dieser
Erfindung kann im Fall einer Vergrößerung oder
Verringerung einer Verbrennungsgasmenge am Auslaß der
Verbrennungseinheit zum Zwecke der Änderung einer Last oder
Belastung z.B. eines kombinierten Zyklus bzw. Kreislaufs
(cycle) die Verbrennungsgasmenge einfach und schnell
dadurch geregelt werden, daß die dem
Wirbelschicht-Vergasungsofen, dem Wirbelschicht-Verbrennungsofen bzw. der
Verbrennungseinheit zuzuführende Luft(menge) unabhängig oder
getrennt geregelt wird.
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Weiterhin wird das im Wirbelschicht-Vergasungsofen
erzeugte brennbare Gas ohne Kühlung unmittelbar der
Verbrennungseinheit zugespeist, so daß die Temperatur des
in der Verbrennungseinheit erzeugten (anfallenden)
Verbrennungsgases erhöht ist und außerdem die Menge an
Verbrennungsgas von der Verbrennungseinheit entsprechend
einem Lasterfordernis einfach variiert werden kann.
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Da ferner beim erfindungsgemäßen vergasenden
Energieerzeugungsverfahren durch das hohe Temperatur besitzende
Verbrennungsgas, das auf oben beschriebene Weise in der
Verbrennungseinheit erzeugt worden ist, eine Gasturbine
angetrieben wird und auch eine Dampfturbine mit dem Dampf,
der durch das von der Gasturbine kommende
Verbrennungsgas erzeugt wird, angetrieben wird, ist der thermische
oder Wärme-Wirkungsgrad der Gesamtanlage verbessert.
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Die obigen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und
Vorteile dieser Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der beigefügten Zeichnungen.
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In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Systemdarstellung einer
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß
einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung,
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Fig. 2 eine schematische Systemdarstellung einer
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß
einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung,
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Fig. 3 eine schematische Systemdarstellung einer
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß
einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung,
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Fig. 4 eine schematische Systemdarstellung eines
vergasenden Verbrennungsverfahrens nach dem Stand
der Technik und
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Fig. 5 eine schematische Systemdarstellung eines
vergasenden Energieerzeugungsverfahrens nach dem
Stand der Technik.
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Ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des
Verfahrens gemäß dieser Erfindung wird mittels der in Fig. 1
dargestellten Vorrichtung bzw. Anordnung ausgeführt.
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Bei dieser Vorrichtung werden Kohle 10 und
Entschwefelungsmittel einem Wirbelschicht-Vergasungsofen 1
zugespeist, in welchem die Kohle 10 vergast und eine in der
Kohle enthaltene Schwefelkomponente durch das
Entschwefelungsmittel 11 als Calciumsulfid fixiert werden. Ein durch
Vergasung der Kohle 10 erzeugtes brennbares Gas 13a wird
durch eine Staubentfernungsvorrichtung bzw. einen
Entstäuber 3a entstäubt. Nach der Entstäubung wird das
brennbare Gas 13b in eine Verbrennungseinheit 5 eingespeist.
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Andererseits werden ein Gemisch 15a aus
Verkohlungsprodukt (char), das aus der im
Wirbelschicht-Vergasungsofen 1 nicht vergasten Kohle und Entschwefelungsmittel
entstanden ist, sowie ein Gemisch 15b aus durch den
Entstäuber 3a gesammeltem Verkohlungsprodukt und
Entschwefelungsmittel in einen
Wirbelschicht-Verbrennungsofen 2 eingespeist, dem auch Luft 12b zugespeist wird,
wobei eine Verbrennungsreaktion von Verkohlungsprodukt
sowie eine Reaktion einer Oxidation von Calciumsulfid
und seiner Überführung in Gips stattfinden.
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Im Wirbelschicht-Verbrennungsofen 2 erzeugtes
Verbrennungsgas 4a wird durch einen Entstäuber 3b entstäubt.
Nach dem Entstäuben wird Verbrennungsgas 14b in die
Verbrennungseinheit 5 eingeleitet, in welcher das
brennbare Gas 13b mit dem Restsauerstoff im Verbrennungsgas
14b und Luft 12c verbrannt ist, während erzeugtes bzw.
entstandenes Verbrennungsgas 17 z.B. einer (nicht
dargestellten) Gasturbine zugeführt wird.
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Eine Aschekomponente der Kohle 10 und das
Entschwefelungsmittel 11 nach der Entschwefelung werden als
Extraktionsasche 16a vom Boden des
Wirbelschicht-Verbrennungsofens 2 und als Abführasche 16b vom Entstäuber
3b zur Außenseite des Systems abgeführt.
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Obgleich die Wirbelschichttemperatur des
Wirbelschicht-Vergasungsofens 1 je nach der Art der Kohle
verschieden ist, wird sie auf 700 bis 1000ºC als optimale
Temperatur für die wirksame Durchführung einer
Entschwefelungsreaktion und auch für das Ablaufenlassen einer
Vergasungsreaktion der Kohle eingestellt. Die
Wirbelschichttemperatur des Wirbelschicht-Verbrennungsofens 2 wird
in Abhängigkeit von der Kohlesorte mit 800 - 1050ºC
gewählt, damit eine Reaktion, bei welcher Calciumsulfid
wirksam zu Gips oxidiert wird, ablaufen kann und auch
ein Verbrennungswirkungsgrad von Verkohlungsprodukt
erhöht sein kann.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel werden die
Temperaturen des Wirbelschicht-Vergasungsofens 1 , des
Wirbelschicht-Verbrennungsofens 2 und der
Verbrennungseinheit 5 jeweils durch Temperaturdetektoren 21a, 21b
bzw. 21c detektiert bzw. gemessen; die Strömungsmengen
der diesen Reaktoren 1, 2 und 5 zuzuspeisenden Luft
12a, 12b bzw. 12c werden durch eine Steuereinheit 20
auf der Grundlage dieser Temperaturinformationen
sowie der Größe der Zufuhrmenge an Kohle 10 berechnet,
und die jeweiligen Strömungsmengen werden durch
jeweilige Ansteuerung von Strömungsmengen-Regelventilen 19a,
19b bzw. 19c unabhängig oder getrennt geregelt.
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Im Fall einer Vergrößerung einer Menge an
Verbrennungsgas 17 am Auslaß der Verbrennungseinheit 5 wird die Menge
an Verbrennungsgas 17 schnell erhöht, indem gleichzeitig
die Menge der Kohle 10 und der Luft 12a, die dem
Wirbelschicht-Vergasungsofen 1 zugespeist werden, und der der
Verbrennungseinheit 5 zugespeisten Luft 12c vergrößert
werden. Wenn danach die Menge an Verkohlungsprodukt, das
vom Wirbelschicht-Vergasungsofen zum -Verbrennungsofen
2 geschickt wird, zugenommen hat, werden die Menge der
dem Wirbelschicht-Verbrennungsofen 2 zugespeisten Luft
12b vergrößert und die Menge der der Verbrennungseinheit
5 zugeführten Luft 12c verkleinert. Im Fall einer
Verkleinerung oder Abnahme der Menge an Verbrennungsgas 17 am
Auslaß der Verbrennungseinheit 5 werden die Mengen an
Kohle 10 und Luft 12a, die dem
Wirbelschicht-Vergasungsofen 1 zugeführt werden, und die Menge der der
Verbrennungseinheit 5 zugespeisten Luft 12c gleichzeitig
verringert; wenn anschließend die Menge an vom Wirbelschicht-
Vergasungsofen 1 zum Wirbelschicht-Verbrennungsofen 2
geliefertem Verkohlungsprodukt abgenommen hat, wird die
dem Wirbelschicht-Verbrennungsofen 2 zugespeiste Menge
an Luft 12b verringert, während die Menge der der
Verbrennungseinheit 5 zugespeisten Luft 12c erhöht wird.
Wie oben beschrieben, kann beim dargestellten
Ausführungsbeispiel die Menge an Verbrennungsgas 17 am
Auslaß der Verbrennungseinheit 5 einfach und schnell
variiert werden.
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Da beim dargestellten Ausführungsbeispiel außerdem
ein im Stand der Technik verwendeter (in Fig. 4 mit der
Ziffer 307 bezeichneter) Wärmetauscher im Wirbelschicht-
Verbrennungsofen 2 nicht vorhanden ist und kein Kühlen
mit einer großen Dampf- oder Wassermenge stattfindet,
kann die dem Verbrennungsgas eigene chemische Energie
vollständig in thermische Energie bzw. Wärmeenergie
umgesetzt werden. Da dieses Verbrennungsgas zudem einer
Gasturbine zugespeist wird, ist der Wirkungsgrad der
elektrischen Energieerzeugung eines kombinierten Zyklus
bzw. Kreislaufs höher als beim Stand der Technik. Da es
ferner nicht nötig ist, einen Wärmetauscher in den
Wirbelschicht-Verbrennungsofen 2 einzubauen, sind die Baukosten
für letzteren geringer.
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Fig. 2 ist eine schematische Systemdarstellung einer
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem
zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird Kohle 10b
nicht nur einem Wirbelschicht-Vergasungsofen 1, sondern
auch einem Wirbelschicht-Verbrennungsofen 2 unmittelbar
zugeführt.
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Im Fall einer Änderung der Belastung bzw. Last kann
dann eine Verbrennungsgasmenge am Auslaß einer
Verbrennungseinheit 5 auf die im folgenden beschriebene Weise
schnell variiert werden. Im Fall einer Vergrößerung der
Last wird beispielsweise die Menge an Verbrennungsgas
17 dadurch schnell vergrößert, daß die Mengen an Kohle
10a und Luft 12a, welche dem
Wirbelschicht-Vergasungsofen 1 zugeführt werden, sowie von Kohle 10b und Luft
12b, die dem Wirbelschicht-Verbrennungsofen 2 zugespeist
werden, gleichzeitig vergrößert werden. Danach wird
entsprechend der Zunahme einer Menge an vom
Wirbelschicht-Vergasungsofen 1 zum -Verbrennungsofen 2
geliefertem Verkohlungsprodukt die dem
Wirbelschicht-Verbrennungsofen 2 zugeführte Menge an Kohle 10b herabgesetzt.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel kann auch beim
Anfahren der Vorrichtung durch gleichzeitige Zuführung
der Kohle 10a und 10b zum Wirbelschicht-Vergasungsofen
bzw. -Verbrennungsofen 2 auf oben beschriebene Weise
das Aufwärmen der Öfen gleichzeitig stattfinden.
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Fig. 3 ist eine schematische Systemdarstellung einer
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem
dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Gemäß Fig. 3 werden Schweröl 201,
Entschwefelungsmittel 202 und zurückgeführtes bzw. rückgewonnenes
Entschwefelungsmittel 206 in einem Mischer 101 zu einer
Aufschlämmung vermischt, die durch eine Druckpumpe 102
gegenüber einem Normaldruckzustand im Druck erhöht oder
verdichtet und einem Druckwirbelschicht-Vergasungsofen
103 zugeführt wird. Als Entschwefelungsmittel 202 werden
Calciumverbindungen, wie Kalkstein, Dolomit und dgl.,
verwendet. Ein Vergasungsdruck im Druckwirbelschicht-
Vergasungsofen 103 ist normalerweise auf 15 - 30 ata
eingestellt, obgleich er sich entsprechend einem
Arbeitsdruck einer nachgeschalteten Gasturbine 109 bestimmt.
Im genannten Vergasungsofen 103 werden Teilchen des
Entschwefelungsmittels 202 durch Luft 207b, die vom
Boden dieses Ofens 103 zugeführt wird, fluidisiert,
so daß sie eine Wirbelschicht 122 bilden. Die
Temperatur der Wirbelschicht 122 ist auf einen Bereich von
700 - 1000ºC eingestellt. In der Wirbelschicht 122
finden gleichzeitig mit dem Auftreten der thermischen
Zersetzung oder Spaltung des Schweröls 201 eine
Vergasungsreaktion, bei welcher im Schweröl enthaltener
Kohlenstoff unter Bildung von CO mit CO&sub2; reagiert, und eine
Verbrennungsreaktion der Luft 207b mit einem thermischen
Zersetzungsprodukt des Schweröls 201 sowie mit Luft 207b
und CO statt, wobei eine S-Komponente im Schweröl mit
den genannten Entschwefelungsmitteln 202 und 206 reagiert,
um im Entschwefelungsmittel als CaS fixiert zu werden.
Außerdem adsorbiert das genannte Entschwefelungsmittel
im Schweröl enthaltene Alkalimetalle, wie V, Na, K und
dgl. unter Verhinderung einer Einführung dieser Komponenten
oder Bestandteile in das erzeugte Gas. Zur Verbesserung
der Regelbarkeit der Temperatur der Wirbelschicht 122 und
zur Unterdrückung der Entstehung von unverbranntem
Kohlenstoff empfiehlt es sich, dem
Druckwirbelschicht-Vergasungsofen eine kleine Menge an Dampf 214 zuzuführen.
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Im genannten Vergasungsofen 103 ist oder wird die
Temperatur auf 700 - 1000ºC eingestellt; demzufolge
werden 40 % oder mehr des im zugeführten Schweröl 201
enthaltenen Kohlenstoffs zu Verbrennungsgas 208 vergast.
Nachdem die im Verbrennungsgas 208 enthaltenen
Entschwefelungsmittelteilchen in einem Zyklonenscheider
104a abgetrennt worden sind, tritt das Verbrennungsgas
208 in ein poröses Filter 105a ein. Im Zyklonenscheider
104a gesammelte Teilchen 216 des Entschwefelungsmittels
und dgl. werden zur Wirbelschicht 122 zurückgeführt;
je nach der Menge der Teilchen 216 kann jedoch ein Teil
davon auch einem noch zu beschreibenden Wirbelschicht-
Verbrennungsofen 219 zugeführt werden.
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Im brennbaren Gas 208 enthaltene
Entschwefelungsmittelteilchen 217 o.dgl. werden durch das poröse Filter
205a gesammelt und zu dem noch zu beschreibenden
Wirbelschicht-Verbrennungsofen 219 überführt.
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Um die Wirbelschicht 122 im erwähnten Wirbelschicht-
Vergasungsofen 103 auf einer konstanten Höhe zu halten,
werden Teilchen 212 des Entschwefelungsmittels sowie
unverbrannte Komponente (Bestandteile) vom
Druckwirbelschicht-Vergasungsofen 103 zu dem noch zu
beschreibenden Wirbelschicht-Verbrennungsofen 219 geliefert.
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Das brennbare Gas 208a, welches das poröse Filter
105a passiert hat und dessen Staubgehalt weitgehend
verringert worden ist, wird in einer
Ammoniakzersetzungssäule 106 mit durch einen Verdichter 108 verdichteter
Luft teilweise verbrannt, wobei die Temperatur des
brennbaren Gases 208a auf etwa 900 - 1000ºC erhöht wird;
anschließend wird dieses Gas durch einen in der
Ammoniakzersetzungssäule 106 angeordneten Katalysator, der Nickel
enthält, geleitet, wobei Ammoniak (NH&sub3;), HCN und dgl. im
brennbaren Gas 208 zu Stickstoff (N&sub2;) zersetzt (gespalten)
werden. Die Temperatur des brennbaren Gases 208a bestimmt
sich nach der Beständigkeit von H&sub2;S und Katalysator im
brennbaren Gas. Das brennbare Gas 208a wird von der
Ammoniakzersetzungssäule 106 einer Verbrennungseinheit 107
zugespeist und in dieser vollständig mit Luft 207c, die vom
Verdichter 108 geliefert wird, und Verbrennungsgas 215a
des noch zu beschreibenden
Wirbelschicht-Verbrennungsofens 219 vollständig verbrannt, wobei die Temperatur
des Verbrennungsgases 209 auf 1250 - 1500ºC ansteigt und
das Verbrennungsgas 209 einer Gasturbine 109 eingespeist
wird. Die Temperatur dieses Verbrennungsgases 209
bestimmt sich in Abhängigkeit von den Werkstoffen und der
Konstruktion der Gasturbine 109; je höher die
Temperatur ist, um so höher ist auch der
Energieerzeugungswirkungsgrad, während in diesem Fall andererseits die
Betriebslebensdauer der Gasturbine verkürzt ist, so daß
(für diesen Zweck) eine optimale Temperatur gewählt wird.
Das Verbrennungsgas 209 gibt seine Energie an die
Gasturbine 109 zum Rotieren derselben ab, wobei die Energie
durch einen Generator 117 in Elektrizität bzw.
elektrischen Strom umgewandelt wird.
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Nachdem es die Gasturbine 109 passiert hat und in
seinem Druck auf nahezu Normaldruck reduziert worden ist,
wird das Verbrennungsgas 209a in einen Abwärmekessel
110 eingeführt, in welchem fühlbare Wärme des
Verbrennungsgases 209a in einem Wärmetauscher 121 auf Wasser 210
übertragen wird. Im Wärmetauscher 121 wird das Wasser 210
erwärmt und zu Dampf 211 verdampft. Die im Dampf 211
enthaltene Energie wird an eine Dampfturbine 111 zum
Drehen derselben abgegeben, wobei diese Dampfturbine
einen Generator 118 antreibt, durch den die Energie
letztlich in Elektrizität umgewandelt wird.
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Der aus der Dampfturbine 111 austretende Dampf 211
wird durch einen Kondensationsapparat 112 zu Wasser 210
kondensiert, das - nachdem es durch eine Druckpumpe 113
unter Druck gesetzt worden ist - erneut dem Wärmetauscher
121 zugespeist wird.
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Im Wirbelschicht-Verbrennungsofen 219 wird die
Wirbelschicht 127 durch eingeführte Luft 207a in einem
fluidisierten Zustand gehalten; die Teilchen 212 des
Entschwefelungsmittels und von unverbrannter Komponente,
vom Druckwirbelschicht-Vergasungsofen 103 auf oben
beschriebene Weise geliefert, werden einer Oxidation von
in den Teilchen 212 enthaltenem CaS zu CaSO&sub4; und einer
Verbrennung der unverbrannten Komponente in dieser
Wirbelchicht 127 unterworfen. Zum Umwandeln von CaS zu
CaSO&sub4; wird die Temperatur im
Wirbelschicht-Verbrennungsofen 219 auf 600 - 1000ºC eingestellt. Vom Boden dieses
Verbrennungsofens 219 abgezogene
Entschwefelungsmittelteilchen 213 werden über Schleusentrichter 115a und 116a
in eine Fraktionierkolonne 120 eingeführt, in welcher
bzw. von welcher grobe Teilchen eines hohen Gehalts
an CaCO&sub3; und CaO zur Verwendung als rückgeführtes
Entschwefelungsmittel 206c zu einem Mahlwerk 123 geleitet
werden, während die restlichen Feinteilchen als
Abführasche 206a zur Außenseite des Systems ausgetragen
werden. Das rückgeführte, im Mahlwerk 123 zu feinen
Teilchen gemahlene Entschwefelungsmittel 206 wird zum
erwähnten Mischer 101 geliefert und dann als Teil des
Entschwefelungsmittels zum
Druckwirbelschicht-Vergasungsofen 103 zurückgeführt.
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Andererseits wird das Verbrennungsgas, von dem das
Entschwefelungsmittel 218 abgetrennt worden ist, in ein
poröses Filter 105b eingeleitet, wobei das
Verbrennungsgas 215b von dem im Filter Entschwefelungsmittel und
Asche weiter abgetrennt worden sind, auf oben
beschriebene Weise in die Verbrennungseinheit 107 eingeführt wird.
Die Asche und das Entschwefelungsmittel, die durch das
poröse Filter 105b gesammelt bzw. aufgefangen wurden,
werden über Schleusentrichter 105b und 106b als
Abführasche 206 aus dem System abgeführt.
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Nach dem Durchgang durch den beschriebenen
Abwärmekessel 110 wird das Verbrennungsabgas 209b über eine
Esse 114 in die Atmosphäre entlassen. Dieses
Verbrennungsabgas 209b ist entschwefelt worden, und ihm sind außerdem
auf oben beschriebene Weise im
Druckwirbelschicht-Vergasungsofen 103 Alkalimetalle, wie Na, K und dgl. sowie
V entzogen worden; außerdem werden in der
Ammoniakzersetzungssäule 106 im Verbrennungsabgas enthaltenes
Ammoniak (NH&sub3;), HCN und dgl. zersetzt, so daß das
Verbrennungsabgas über die Esse als gereinigtes Gas mit
einem geringen NOx-Gehalt im Verbrennungsabgas 209b
zur Atmosphäre entlassen werden kann.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß der beschriebene
Verdichter 108 durch Direktverbindung durch die
Gasturbine 109 antreibbar ist; er saugt Luft 203 an und
verdichtet diese auf einen hohen Druck, und er vermag
die verdichtete Luft bzw. Druckluft 207 dem
Wirbelschicht-Verbrennungsofen 219 und dem Druckwirbelschicht-
Vergasungsofen 103 auf oben beschriebene Weise als Luft
207a bzw. 207b sowie der Verbrennungseinheit 107 und
der Ammoniakzersetzungssäule 106 als Druckluft 107c
bzw. 107d zuzuspeisen.
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Auf oben beschriebene Weise wird beim dargestellten
Ausführungsbeispiel die im Schweröl 201 enthaltene
chemische Energie in elektrische Energie umgesetzt; im
Schweröl 201 enthaltenes S, V, Na, K und dgl. werden in der
Abführasche 206a und 206b fixiert und absorbiert;
außerdem werden NH&sub3;, HCN und dgl. entfernt oder beseitigt,
und die N-Komponenten des Schweröls 201 können als N&sub2;
in die Atmosphäre entlassen werden.
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Da weiterhin bei diesem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Druckwirbelschicht-Vergasungsofen 103 und der
Wirbelschicht-Verbrennungsofen 209 nicht mit einem
Wärmetauscher versehen sind, kann das Innenvolumen dieser Öfen
klein sein; demzufolge sind das Anfahren einfach und
das Lastansprechen günstig. Da ferner die in den
betreffenden Öfen 103 und 219 erzeugten Gase ohne Wärmeaustausch
einer Verbrennungseinheit und weiterhin einer Gasturbine
eingespeist werden, ist der Wärmewirkungsgrad verbessert,
so daß der endgültige Erzeugungswirkungsgrad (generating
end efficiency) erhöht sein kann.
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Obgleich bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
Schweröl verwendet wird, kann im Fall der Verwendung von
Kohle diese auf ähnliche Weise als Brennstoff für die
elektrische Energieerzeugung genutzt werden, indem ein
Schleusentrichter (lock hopper) benutzt oder die Kohle
als Wasseraufschlämmung mittels einer Druckpumpe dem
Druckwirbelschicht-Vergasungsofen 103 zugeführt wird.
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Um bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel auf
beschriebene Weise 40% des im Rohbrennstoff enthaltenen
Kohlenstoffs zu transformieren, ist es wünschenswert, die
Temperatur des Wirbelschicht-Vergasungsofens auf 700ºC
oder höher einzustellen; diese Temperatur kann durch
Regelung einer diesem Ofen zugespeisten Luftmenge
geregelt oder eingestellt werden.
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Obgleich die Zersetzung von NH&sub3;, HCN und dgl. durch
den Nickelkatalysator ab etwa 500ºC einsetzt, ist es
durch Herbeiführung der Reaktion bei einer Temperatur
von 900ºC oder höher praktisch möglich, eine Vergiftung
durch Schwefel, der in dem vom Katalysator erzeugten
Gas enthalten ist, zu verhindern. Bei der Kontaktierung
des im Wirbelschicht-Vergasungsofen erzeugten Gases mit
dem nickelhaltigen Katalysator ist es daher zweckmäßig,
eine Temperatur von 900 - 1100ºC zu wählen oder
einzustellen.
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Wie sich aus der obigen genauen Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung ergibt, kann beim erfindungsgemäßen vergasenden
Verbrennungsverfahren im Fall der Vergasung von
Rohbrennstoff, wie Kohle oder Schweröl, und seiner
Verwendung als Betriebs- oder Arbeitsbrennstoff in einem
kombinierten Zyklus bzw. Kreisflauf o.dgl. eine
vergasende Verbrennung eines guten Ansprechens auf
Laständerung und eines hohen Wirkungsgrads realisiert
werden, wobei außerdem in einer Verbrennungseinheit ein
Verbrennungsgas hoher Temperatur erzeugt werden kann.
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Beim erfindungsgemäßen vergasenden
Energieerzeugungsverfahren kann ebenso ein Wärmewirkungsgrad einer
Anlage durch in einer Verbrennungseinheit erzeugtes
Hochtemperatur-Verbrennungsgas verbessert bzw. erhöht
und demzufolge ein endgültiger Erzeugungswirkungsgrad
verbessert werden; ferner können Anfahren und
Lastansprechen durch Verkleinerung der Volumina eines
Fließbett-Vergasungsofens und eines -Verbrennungsofens
begünstigt werden. In diesem Zusammenhang wird im
Vergleich zu dem Fall nach dem Stand der Technik, bei
dem Kohlevergasungsgas bei 400 - 450ºC entschwefelt
wird, dieses(Gas) nach der Entschwefelung in einer
Verbrennungseinheit verbrannt, wobei eine kombinierte
elektrische Energieerzeugung unter Verwendung einer
Gasturbine und einer Dampfturbine vorgenommen wird;
erfindungsgemäß ist daher der endgültige
Erzeugungswirkungsgrad um etwa 2% erhöht.
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Obgleich vorstehend ein Grundprinzip der
vorliegenden Erfindung anhand von bevorzugten
Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben ist, sollen alle in der
obigen Beschreibung enthaltenen und in den beigefügten
Zeichnungen dargestellten Einzelheiten lediglich als
beispielhaft und nicht als den Rahmen der Erfindung
einschränkend verstanden werden.