DE913911C - Verfahren zur Umwandlung von Kohle in elektrische Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Umwandlung von Kohle in elektrische Energie und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Umwandlung von Kohle in elektrische Energie mittels Gaszellen.

Es wurden Gaszellen vorgeschlagen und entwickelt, mit denen Elektrizität durch Verbrennung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff unter Verwendung von Luft als oxydierendem Gas erzeugt wurde. Besondere Erfolge wurden erzielt, wenn die Zellen bei hohen Temperaturen betrieben wurden. Bei den früheren Gaszellen dieser Art wurden das Kohlenmonoxyd und der Wasserstoff zuerst in einer getrennten Vergasungszone erzeugt und dann dem Kathodenende einer Gaszelle zugeführt. Der Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung von Kohle in elektrische Energie bei solchen Anlagen liegt, falls man annimmt, daß der maximale Wirkungsgrad in jeder der beiden getrennten Stufen erreicht wird, in der Größenordnung von 40°/o.

In dem Patent 910 918 wird ein Verfahren zur Umwandlung von Kohle in elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von 75 °/o beschrieben. Dieser hohe Wirkungsgrad wird dadurch erreicht, daß die Gaszelle bei einer erhöhten, über der der Erzeugungszone für Kohlenmonoxyd und Wasserstoff liegenden Temperatur betrieben und die Wärme von der mit hoher Temperatur arbeitenden Gaszelle auf die Gaserzeugungszone übertragen wird, so daß die erforderliche Wärme die endotherme Dampf-Kohle-Reaktion aufrechtzuerhalten vermag. Um diese mit diesem Verfahren möglichen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es notwendig, aktive Kohle oder einen geeigneten Katalysator wegen der verhältnismäßig niedrigen Temperatur der Ver-

gasungszone zu verwenden. Es ist wünschenswert, ein Verfahren zur Umwandlung von Kohle in elektrische Energie mit wesentlich höheren Wirkungsgraden vorzusehen, als sie durch die früheren Verfahren möglich waren, bei dem jedoch ein Betrieb der Gaserzeugungszone bei den üblichen hohen Temperaturen möglich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Umwandlung von Kohle in elektrische Energie hat einen

ίο Gesamtwirkungsgrad von annähernd 6o°/o. Obwohl dieser Wirkungsgrad nicht so hoch wie der des Verfahrens nach dem genannten Patent ist, ist er trotzdem wesentlich höher als bei den bisher vorgeschlagenen Verfahren, bei denen ein Wirkungsgrad von etwa 40% erreicht wird. Darüber hinaus gestattet das erfindungsgemäße Verfahren den Betrieb der Gaserzeugungszone bei üblichen Temperaturen, die unabhängig von den Temperaturen in der elektrochemischen Zone, d. h. der Gaszelle, sind.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden Wasserdampf und ein oxydierendes Gas, vorzugsweise Luft, mit Kohle in einer Vergasungszone unter optimalen Bedingungen zur Umwandlung der

a5 Kohle in C O und H₂ umgesetzt. Dieses gasförmige Produkt wird dann einer getrennten elektrochemischen Reaktionszone zugeleitet, die aus einer oder mehreren Gaszellen besteht, welche bei erhöhten Temperaturen arbeitet. Ein oxydierendes Gas, beispielsweise Luft, wird zur Sauerstoffelektrode der Gaszelle geleitet, von wo es zu der CO- und H₂-Elektrode durch den Elektrolyt in Form eines oxydierenden Ions transportiert wird. Das gasförmige Produkt der Vergasungszone wird somit in der Gaszelle oxydiert. Die Verbrennungswärme wird zum Teil in elektrische Energie verwandelt, während der Rest dazu 'dient, die Temperatur der Gaszelle über 480⁰ zu halten. Wasserdampf wird im direkten Wärmeaustausch mit der heißen elektrochemischen Zone geführt und auf diese Weise auf eine Temperatur erhitzt, welche die der Gaszelle erreicht. Dieser auf hohe Temperatur erhitzte Wasserdampf wird der Vergasungszone zur Reaktion mit der Kohle zugeleitet. Die Temperatur der Vergasungszone wird wenigstens so hoch wie die der Gaszellen durch Verbrennung eines Teils der darin befindlichen Kohle gehalten. Durch diesen Betrieb der Gaszellen bei erhöhten Temperaturen über 480 ° und vorzugsweise zwischen 700 und 900⁰ und bei Verwendung der in den Gaszellen entwickelten Wärme zur Vorheizung des Dampfes für die Vergasungszone lassen sich Wirkungsgrade erzielen, die unerwarteterweise über die Hälfte höher als die bei den früheren Anlagen sind.

Zum besseren Verständnis soll die Erfindung im folgenden genauer und unter Zuhilfenahme der Zeichnung beschrieben werden, die schematisch und teilweise im Schnitt eine bevorzugte Ausführungsform einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Anlage zeigt.

In der Zeichnung ist mit 10 ein Gasgenerator oder Kessel mit einem im wesentlichen zylindrischen Oberteil 12 und einem konischen Bodenteil 14 bezeichnet. In diesem Generator befindet sich eine im Schwebezustand befindliche Einlage 16 von Festkörperchen bei zur Dampf-Kohle-Reaktion geeigneten Temperaturen und Drücken. Am Bodenteil des Generators ist eine Einlaßleitung 18 angeschlossen, durch welche gasförmige Reaktionsteilnehmer in den Generator 10 eingeführt werden. Ein Trichter 20 zur Aufbewahrung der Festbestandteile ist mit dem Gasgenerator 10 durch eine Leitung 22 verbunden, durch die die Festkörper in den Kessel 10 eingeführt werden.

Ein Zyklonabscheider 24 ist mit dem Kessel 10 durch die Leitung 26 verbunden und dient zur Abscheidung aller feinen Festbestandteile,, die vom Generatorgas mitgerissen werden, um sie durch eine Tauchleitung 28 in die Einlage 16 zurückzuführen. Vom Zyklonabscheider 24 wird das Gas über eine Leitung 30 einer Anzahl von Gaszellen 40 zugeführt.

Die Gaszellen 40 sind untereinander gleich und arbeiten bei einer Temperatur von annähernd1000⁰. Jede Gaszelle enthält zwei rechteckige Plattenelektroden 42 und 44, die senkrecht und parallel mit Abstand angeordnet sind. Die positive Elektrode 42 besteht aus Eisen-Magnetit. Die negative Elektrode 44 besteht aus Eisen-Eisenoxyd. Die beiden Elektroden werden durch einen festen Elektrolyt 46 getrennt, der aus einem hochschmelzenden Glas aus einer Mischung von Natriumsilikat, Monazitsand, Wolframtrioxyd und Natriumkarbonat besteht. Eine geeignete Mischung besteht beispielsweise aus 43% Natriumkarbonat, 27% Monazitsand, 20°/o Wolframtrioxyd und 10% Natriumsilikat. Der Elektrolyt ist in Form von Röhren oder in Form einer flachen rechteckigen oder kreisförmigen Platte geprägt. In beiden Fällen werden die Elektroden gegen beide Seiten des Elektrolyts gepreßt und ein oxydierendes Gas über die positive Elektrode 42 sowie ein reduzierendes Gas über die negative Elektrode 44 geleitet. Es ist selbstverständlich, daß der Aufbau der Gaszelle selbst keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet; es genügt, wenn die Zelle bei erhöhten Temperaturen arbeiten kann. Solche Gaszellen sind in der Literatur beschrieben (vgl. »Gaszelle mit festem Elektrolyten«, Bull. Acad. Sei. USSR Classe Sei. Tech. 215 bis 218, 1946; Zeitschr. für Elektrochemie 27, 199 bis 208, 1921; Zeitschr. für Elektrochemie 43, ^ζη bis 732, 1937). Die unten beschriebenen Zellen sind mit einem Elektrolyt gebaut, der die Form einer rechteckigen Platte hat.

Jede Gaszelle 40 ist mit einem kastenförmigen Metallgehäuse 48 versehen, dessen Seitenwandungen einen Abstand von den Elektroden 42 und 44 haben, so daß Gasdurchlässe 50 bzw. 52 entstehen. Der Durchlaß 50 führt ein oxydierendes Gas in innigem Kontakt mit der positiven Elektrode 42, während der Durchlaß 52 Generatorgas in inniger Berührung mit der negativen Elektrode 44 hindurchleitet. Jede einzelne Zelle besteht in Wirklichkeit aus einer fest zusammengebauten Anordnung von zwei bis zehn Zellen.

Die Gaszellen 40 sind in zwei Teile 54 und 56 mit jeweils gleicher Zellenzahl unterteilt. Die Zellen der einzelnen Teile sind parallel geschaltet, während die beiden Teile bezüglich des Gasdurchstromes in Reihe geschaltet sind. Die Anordnung der Zellengruppen in Reihe vermindert die Leistungsverluste, die infolge der Verluste der Zellenspannung bei Abnahme des Partialdruckes der Reaktionsteilnehmer auftritt, wenn diese bei der Zellenreaktion verbraucht werden. Zu den oberen Enden der Durchlässe 50 in den Zellen des Teils 54 wird durch Leitungen 58 Luft von einer Hauptluftleitung 60 geleitet. Die Leitungen 62 verbinden die unteren Enden der Durchlässe 50 mit einer Verbindungs-,leitung 64. Diese ist mit dem unteren Ende der Durchlässe 50 der Zellen im Teil 56 mittels Leitungen 66 verbunden. Die oberen Enden der Durchlässe 50 der Zellen im Teil 56 sind mittels Leitungen 70 mit einer Abgasleitung 68 verbunden. Die Abgasleitung 68 steht mit einer Hauptabgasleitung 72 in Verbindung.

Die Gasleitung 32 ist mit den unteren Enden der Durchlässe 52 der Zellen im Teil 54 durch Leitungen 74 verbunden. Die oberen Enden der Durch- »5 lasse 52 stehen über Leitungen 76 mit einer Leitung 78 in Verbindung, die Gas von den Durchlässen 52 im Teil 54 zu den oberen Enden der Durchlässe 52 im Teil· 56 durch Durchlässe 80 führt. Die unteren Enden der Durchlässe 52 der Zellen im Teil 56 stehen über Leitungen 84 mit einer Abgasleitung 82 in Verbindung, welche in die Leitung 72 mündet. Die Zellen 40 sind durch elektrische Leiter 86 zwischen den Elektroden in Reihe geschaltet. Elektrische Leiter 88 und 90 bilden die Endklemmen des Zellensystems und können an eine elektrische Batterie oder eine Kraftanlage angeschaltet sein. Die Zellengruppe 40 befindet sich in einem gasdichten Tank 100. Dieser ist mit einer Wasserquelle durch eine Leitung 102 verbunden, die im Wärmeaustausch mit der heißen Abgasleitung 72 mittels eines Wärmeaustauschers 104 steht. Eine Leitung 106 ist mit der Leitung 102 an der Auslaßseite des Wärmeaustauschers 104 verbunden. Ein Luftzuführungstank 108 steht unmittelbar mit der Leitung 60 und mittelbar mit der Leitung 102 durch eine Verbindungsleitung 110 in Verbindung. Vom Tank 100 zur Gasgeneratoreinlaß leitung 18 führt eine Luft- und Dampfleitung 112.

Der Betrieb des oben beschriebenen Systems soll in folgendem für die Umwandlung von kohlenstoffhaltigen Festkörpern, beispielsweise Kohle, beschrieben werden. Bei Gefahr des Verbackens der Kohle hält man vorzugsweise den Brennstoff in der Vergasungszone im Schwebezustand, um dieses Verbacken zu vermeiden. Bei Verwendung klumpiger, nicht verbackender Brennstoffe wählt man vorzugsweise bei der Vergasung eine feste Einlage. Feinverteilte Kohle wird in den Kessel 10 vom Trichter 20 durch die Leitung 22 zugeführt. Die Menge der dem Kessel 10 zugeführten Festkörperchen wird reguliert, so daß die Einlage im Schwebezustand im oberen Teil des Teils 12 des Kessels 10 steht. Die Einlage wird durch geeignete Regulierung der Geschwindigkeit der in bekannter Weise durchströmenden Gase im Schwebezustand gehalten. Die Temperatur der Vergasungszone im Kessel 10 wird auf den Wert der optimalen Umwandlung des Kohlenstoffs zu CO und H₂ mittels Dampf und Luft, vorzugsweise in der Nähe von 930⁰, gehalten. Die notwendige Wärme wird durch die Verbrennung von Brennstoff mit Luft in situ zugeführt.

Die Produkte der Dampf-Kohle-Reaktion bestehen aus einem festen Aschen- oder minderwertigen Kohlenbestandteil, der durch die Leitung 23 abgezogen wird, um den gewünschten Einlagespiegel aufrechtzuerhalten, und aus einer gasförmigen Mischung, hauptsächlich aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff. Das gasförmige Produkt wird dem Zyklonabscheider 24 zugeführt und dort von mitgerissenen feinen Festkörpern befreit, die in die im Schwebezustand gehaltene Einlage 16 durch die Tauchleitung 28 zurückkehren. Das von festen Bestandteilen freie Gas wird dann durch die Leitung 30 und die Leitungen 74 den unteren Enden der Durchlässe 52 der Gaszellen im Teil 54 zugeführt. Im Gegenstrom dazu wird Luft durch die Leitung 60 und die Leitungen 58 den oberen Enden der Durchlässe 50 der Gaszellen im Teil 54 zugeleitet.

An den positiven Elektroden 42 der Zellen im Teil 54 werden die Elektronen durch das Eisenoxyd aufgenommen, um ein Oxydion oder sein Äquivalent in den festen Elektrolyt abzugeben. Der in der Luft enthaltene und durch die Durchlässe 50 zirkulierende Sauerstoff reagiert mit dem Eisen und hält seinen Oxydationszustand aufrecht, wobei der verbleibende Stickstoff und der nicht umgesetzte Sauerstoff durch die Leitungen 62 und 64 abgeführt werden. An den negativen Elektroden 44 wird das Oxydion entladen und gibt Elektronen ab, so daß die Elektrode auf eine höhere Oxydationsstufe des Eisens oxydiert wird. Das durch die Durchlässe 52 zirkulierende CO und H₂ reduziert das höher oxydierte Eisenoxyd und wird entsprechend zu CO₂ und H₂O umgewandelt, die zusammen mit dem nicht umgesetzten CO und H₂ durch die Leitungen 76 und 78 abgeführt werden. Ein Teil der durch die Verbrennung des Generatorgases frei gewordenen Energie erzeugt über den Elektrolyt 46 Elektrizität.

Die gleichen Zellenreaktionen treten im zweiten Teil 56 zwischen den Elektroden und den im ersten Teil 54 nicht umgesetzten Gasen auf, wobei jedoch die Gase entgegengesetzt zur Strömungsrichtung im Teil 54 strömen.

Die durch die Gaszellen erzeugte Elektrizität wird vom Zellensystem durch die elektrischen Leitungen 88 und 90 abgeführt. Die einzelnen Zellen erzeugen eine Spannung im Bereich von 0,5 bis iao 0,9 Volt, abhängig von der aus der Zelle entnommenen Stromdichte. Der Rest der Energie verbleibt als Wärme. Die Zellen arbeiten bei Temperaturen von annähernd 450⁰. Bei der Erfindung liegt der ausgewählte Temperaturbereich zwischen 480 und 1000⁰. Vorzuziehen ist jedoch eine Temperatur

über 650⁰, um die Polarisation an den Elektroden und den Widerstand des Elektrolyts herabzusetzen. Es ist selbstverständlich, daß die Zahl der Gaszellen nur zum Zweck der Erläuterung angegeben ist. Die genaue Anzahl der verwendeten Zellen hängt vom Aufbau des Systems und der gewünschten Kapazität ab.

Bei einem besonderen Beispiel des Betriebs des obengenannten Systems wurden folgende Verhältnisse gewählt und folgende Ergebnisse erzielt: Die Temperatur der Gaszellen betrug 700⁰ und die der im Schwebezustand gehaltenen Kohleeinlage annähernd 930°'. Bei einer Dampfumwandlung von 70 °/o in der Vergasungszone betrug der Wirkungsgrad für die unmittelbare Erzeugung von elektrischer Energie 57,4°/o im Gegensatz zu einem errechneten Maximalwirkungsgrad von 42,8 °/o, wenn die überschüssige Wärme der Zellen nicht zur Vorheizung des Dampfes und der Luft, die der Vergasungszone zugeführt werden, Verwendung findet. Wenn darüber hinaus der Dampf, der durch Wärmeaustausch mit den Zellen im Überschuß über den, der in der Vergasungszone erforderlich ist, erzeugt wurde, in Energie durch übliche Verfahren mit einem Wirkungsgrad von 20% umgewandelt wird (der wegen der verhältnismäßig geringen Temperatur des Dampfes geringer als der üblicherweise mögliche ist), betrug der Gesamtwirkungsgrad des vorliegenden Verfahrens 59,8 °/o.

Im obigen Beispiel wurde die Verwendung der Kohleteile im Schwebezustand in der Vergasungszone gezeigt. Gegebenenfalls kann auch ein System mit fester Einlage Verwendung finden. Bei einem solchen System tritt ein Temperaturgradient in der

Einlage der Festkörper, beispielsweise von 1300⁰ am Boden bis 5400⁰ im oberen Teil, auf.

Nach der Erfindung kann man statt mit Kohle auch mit gasförmigen, kohlenstoffhaltigen Stoffen, wie Naturgas, z.B. Methan, arbeiten. In diesem

Fall wird die Kohle-Dampf-Luft-Reaktion durch die Methan-Dampf-Luft-Reaktion ersetzt, die vorzugsweise unter Verwendung eines Katalysators, wie Ni—MgO oder Ni—Al₂O₃, im Bereich von 650 bis iooo⁰ durchgeführt wird. In den folgenden Ansprüchen bezeichnet der Ausdruck Kohle jeden kohlenstoffhaltigen Stoff, der bei Umsetzung mit Wasserdampf Kohlenmonoxyd und Wasserstoff ergibt.

Somit wird nach der Erfindung ein System zur Umwandlung von Kohle in elektrische Energie mit Wirkungsgraden vorgeschlagen, die 60% erreichen. Bei diesem System werden die Vergasungszone und die elektrochemische Zone bei erhöhten Temperaturen betrieben, die unabhängig voneinander sind und die optimale Betriebstemperatur für die jeweilige Komponente des Systems darstellen. Durch die Anordnung der Wärmeübertragung zwischen den beiden Komponenten in der beschriebenen besonderen Art wird eine Vielseitigkeit des Betriebsvorgangs zusammen mit einem hohen Umwandlungsgrad erzielt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Umwandlung von Kohle in elektrische Energie, gekennzeichnet durch Umsetzung von Wasserdampf und einem oxydierenden Gas mit Kohle in einer Vergasungszone unter geeigneten Bedingungen zur Bildung eines gasförmigen Produktes, das C O und H₂ enthält, durch getrenntes Einleiten des gasförmigen Produktes und eines oxydierenden Gases in eine elektrochemische Reaktionszone, in der das gasförmige Produkt oxydiert und seine Verbrennungswärme teilweise in elektrische Energie umgewandelt wird, durch Aufrechterhalten der Temperatur der elektrochemischen Zone über 480⁰ mittels der darin entwickelten Verbrennungswärme, durch Hindurchleiten von Wasserdampf in direktem Wärmeaustausch mit der elektrochemischen Zone, durch Zuleiten des Dampfes zur Vergasungszone und durch Abnahme der erzeugten elektrischen Energie.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Vergasungszone wenigstens so hoch wie die der elektrochemischen Zone gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als oxydierendes Gas Luft Verwendung findet.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase aus der elektrochemischen Zone in Wärmeaustausch mit Wasser geführt werden, um das Wasser in Dampf zu verwandeln, daß der so gebildete Wasserdampf zusammen mit Luft in direktem Wärmeaustausch mit der elektrochemischen Zone geführt und die sich auf hoher Temperatur befindliche Mischung aus Wasserdampf und Luft in die Vergasungszone eingeleitet wird. ¹Q⁰

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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