DK144485B - Fremgangsmaade til frembringelse af energi ved hjaelp af en gasturbine - Google Patents

Description

(19) DANMARK

Wj (12) FREMLÆGGELSESSKRIFT αυ 1 ί+ί+ί+85 Β

DIREKTORATET FOR PATENT- 0<3 VAREMÆRKEVÆSENET

(21) Ansøgning nr. 6802/74 (51) |nt.CI.3 F 02 C 3/14 (22) Indleveringsdag 23. dec. 1974 (24) Løbedag 23. dec. 1974 (41) Aim. tilgængelig 28. jun. 1975 (44) Fremlagt 15· mar. 1982 (86) International ansøgning nr. -(86) International indleveringsdag -* (85) Videreførelsesdag -(62) Stamansøgning nr. -

(30) Prioritet 27- dec. 1973, 428980, US 27. dec. 1973, 428981, US

(71) Ansøger TEXACO DEVELOPMENT CORPORATION, New York, US.

(72) Opfinder Charles Parker Marlon, US: Warren Gleason iichlinger, US: Albert Brent, US: James Robert Muenger, US.

(74) Fuldmægtig Th. Ostenfeld Patentbureau A/S.

(54) Fremgangsmåde til frembringelse af energi ved hjælp af en gasturbine.

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til frembringelse af energi ved hjælp af en gasturbine under forbrænding af ren brændstofgas. Denne rene brændstofgas fremstilles ud fra aske- og svovlholdige carbonbrændstoffer, og den fremkomne brændstofgas anvendes i gasturbinerne til fremstilling af mekanisk og elektrisk energi uden dermed forbundet væsentlig forurening af omgivelserne.

En konventionel gasturbine af den simpleste type virker stort qj set ved,at luft komprimeres ved hjælp af en centrifugal- eller aksial- lo kompressor, hvorefter et brændstof forbrændes med den komprimerede ^ luft i et forbrændingskammer, og de ved forbrændingen dannede varme

-J

*

Q

j- gasser passerer igennem en ekspansionsturbine. Noget af turbine- energien kan anvendes til drift af en kompressor, der kan være for bundet med turbineakslen. Den resterende del af turbine-energien 2 144485 overføres almindeligvis til en generator til frembringelse af elektrisk energi.

Medens det som kendt fra teknikken kan være økonomisk ønskværdigt at afbrænde lavkvalitet kul og residuale oliebrændstoffer direkte i en gasturbines forbrændingskammer, har dette ikke vist sig praktisk, når brændstofferne indeholder store mængder aske eller svovl. Sådanne faste brændstoffer med højt askeindhold frigør i almindelighed faste slibende og korrosive partikler. Når sådanne partikler medføres af røggassen, der ledes igennem en ekspansionsturbine, afsættes de på turbinebladene og eroderer bladenes overflade. Når dette forekommer, ødelægges bladformen, og gaspassagen i turbinen hæmmes. Ydermere kan de fine partikler afsætte sig på varmeveksleroverflader på afgangssiden, hvorved den resulterende isolering vil forringe den termiske effektivitet. Tilsvarende problemer opstår ved forbrænding af askedannende flydende jordolieprodukter. Sådan aske omfatter mineralske forbindelser af den art, der findes i råolie. Disse forbindelser koncentreres i remanensen ved raffineringsprocessen og suppleres med siliciumdioxid, jern og natriumforbindelser, der optages under forsendelse og behandling. Vanadium, nikkel, natrium, svovl og oxygen udgør hovedbestanddelene af asken. Efter forbrændingen forekommer disse bestanddele som metaloxider, sulfater, vanadater og natriumsilikater. Disse forbindelser synes at erodere den beskyttende oxidfilm på højtemperatur-legeringer. Oxidationen accelereres derved, især ved temperaturer på over ca. 649°C. Ydermere forurener SO2 i røggasudstødningen fra ekspansionsturbinen atmosfæren. Hidtil kendte fremgangsmåder, hvor røggassen renses før indførelse i gasturbinen, er enten upraktiske, særdeles kostbare eller begge dele.

De ovennævnte problemer undgås ved den højeffektive fremgangsmåde ifølge opfindelsen, hvorved gasturbinen kombineres med en partielt oxiderende brændstofgasgenerator til frembringelse af energi uden forurening af atmosfæren.

Den foreliggende opfindelse angår således en fremgangsmåde til frembringelse af energi (mekanisk og elektrisk) ved hjælp af en gasturbine med et forbrændingskammer og en ekspansionsturbine, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved det i krav l's kendetegnende del anførte. Brændstofgassen kan dannes ved ikke-katalytisk partiel oxidation af et billigt carbonhydridholdigt brændstof med højt svovlindhold og askeindhold. Den dannede forbedrede brændstofgas er i be- 3 UU85 siddelse af en forbrændingsvarme i intervallet fra ca. 667 til ca.

3 3 3115 kcal/m , og fortrinsvis i intervallet fra 667 til 890 kcal/m , samt har et molforhold (CO/^) på mindst ca. 0,30. Der er i alt væsentligt ikke forbundet nogen forurening af omgivelserne med forbrænding i gasturbinen.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen består i alt væsentligt af følgende trin: (1) omsætning af et carbonhydridholdigt brændstof med en fri oxygenholdig gas ved partiel oxidation i nærværelse af en temperatur-moderator i reaktionszonen af en ikke-katalytisk fristrømsgasgenera-tor ved en autogen temperatur i intervallet fra ca. 816 til ca. 1927°C og ved et tryk i intervallet fra ca. 10 til ca. 180 ata til fremstilling af en afgangsgasstrøm omfattende blandinger af , CO, CO2 og H2O og en eller flere bestanddele i form af CH^, COS, I^S og Ar samt partikelformigt carbon, i hvilken afgangsgasstrøm molforholdet (CO/H2) er mindst 0,30; (2) afkøling af afgangsgasstrømmen fra (1) og indføring af den afkølede gas i en gasrensningszone, hvorfra der særskilt opnås følgende strømme: (A) en strøm af ren brændstofgas omfattende en blanding af H2 og CO, som også indeholder en eller flere bestanddele i form af N2, CH^, CO2 og H20; (B) en C02~rig gasstrøm; (C) en opslæmningsstrøm omfattende partikelformigt carbon i et flydende bæremiddel; samt (D) en på H2S og COS rig gasstrøm; (3) indføring og forbrænding af strømmen af ren brændstofgas fra (2) i en gasturbines forbrændingskammer med en gasformig oxiderende strøm, der er dannet på et senere trin i processen til dannelse af en strøm af ren røggas; og (4) anvendelse af strømmen af ren røggas fra (3) som arbejds-medium, der ledes igennem en ekspansionsturbine til frembringelse af energi under udvikling af en ren udstødningsrøggas, hvoraf i det mindste en del blandes med luft til dannelse af den gasformige oxiderende strøm under (3).

Fortrinsvis kan den frie varme i mindst en del af den rene udstødningsrøggas fra ekspansionsturbinen under trin (4) anvendes til forvarmning af den rene brændstofgas, der indføres i forbrændingskammeret. En anden del af udstødningsrøggassen kan anvendes til forvarmning af en komprimeret gasformig oxiderende strøm bestående af luft og en del af udstødningsrøggassen. Denne forvarmede oxiderende strøm indføres i gasturbinens forbrændingskammer. Passende kan en del af den gasformige oxiderende strøm indføres i brændstofgasgene- 4 \U4485 ratoren. Den gasformige oxiderende strøm kan komprimeres ved hjælp af en kompressor, der er koblet til ekspansionsturbinen.

Om ønsket kan molforholdet (CO/H2) i brændstofgasstrømmen forøges ved at blande en supplerende C02~rig gasstrøm udvundet i gasrensningszonen med afgangsgasstrømmen fra gasgeneratoren og ved i en fristrøms termisk konverteringszone at underkaste den resulterende blandede gasstrøm en ikke-katalytisk, termisk, omvendt vand-gas-kon-vertering ved en temperatur på mindst 816°C.

Ifølge den foreliggende opfindelse tilvejebringes således en forbedret kontinuerlig fremgangsmåde til fremstilling af termisk, elektrisk og mekanisk energi ved hjælp af en gasturbine. Carbon-hydridholdige materialer indbefattende flydende og faste brændstoffer indeholdende et forholdsvis højt indhold af aske og svovl kan anvendes til under partiel oxidation at tilvejebringe en brændstofgas i en særskilt, ikke-katalytisk fristrømssyntesegasgenerator. Om ønsket kan molforholdet (C0/H2) i brændstofgassen forøges ved omvendt termisk konvertering.

Kvaliteten af brændstofgassen kan yderligere forbedres med henblik på forbrænding i den på afgangssiden anbragte gasturbine, idet der anvendes sådanne trin som afkøling ved indirekte varmeveksling med vand i en spildvarmekedel til fremstilling af damp og rensning til fjernelse af faste suspenderede bestanddele og svovlforbindelser. Den resulterende forbedrede brændstofgas forbrændes så med en gasformig oxidant i gasturbinens forbrændingskammer til fremstilling af ren røggas. Som nærmere beskrevet i det følgende ledes den rene røggas ind i en ekspansionsturbine som arbejdsmedium, og der frembringes energi. Den ovennævnte gasformigeoxiderende strøm omfatter en blanding af luft og en del af udstødningsrøggassen fra ekspansionsturbinen. Den fra turbineakslen opnåede kraft kan anvendes til drift af en elektrisk generator, til kompression af den gasformige oxidant til indføring i gasturbinens forbrændingskammer og til kompression af C02 til det ikke-katalytiske termiske skift. Den frie varme i den rene røggasudstødning fra gasturbinen anvendes fortrinsvis til forvarmning af den rene brændstofgas og den gasformige oxiderende strøm før indføringen deraf i forbrændingskammeret. Efter varmeveksling kan udstødningsgassen fra gasturbinen udledes i atmosfæren praktisk taget uden dermed forbundet forurening af omgivelserne. Dette kan gøres,fortrinsvis efter at udstødningsgassen er yderligere ekspanderet igennem en energifrembringende turbine. Passende kan en del af udstødningsrøggassen fra gasturbinen sammen med eller uden sammenblanding med luft indføres i gasgeneratoren. Ved at holde 5 U4485 brændværdien af den forbedrede brændstofgas i intervallet fra ca.

O

667 til ca. 3115 kcal/m kan mængden af nitrogenoxider (NO )

X

i røggassen holdes under 10 dele pr. million.

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen fremstilles ved partiel oxidation først en kontinuerlig strøm af en brændstofgas i den med ildfast foring forsynede reaktionszone af en særskilt, upakket, ikke-katalytisk fristrømsgasgenerator. Gasgeneratoren er fortrinsvis udformet som en vertikal ståltrykbeholder, således som vist på tegningen og omhandlet i beskrivelsen til USA-patent nr. 2.992.906.

Et stort antal forskellige brændbare carbonholdige organiske materialer kan omsættes i gasgeneratoren med en fri oxygenholdig gas i nærværelse af en temperaturmodererende gas til fremstilling af brændstofgassen.

Betegnelsen "carbonhydridholdig", der anvendes i det foreliggende til beskrivelse af forskellige passende fødematerialer, har til hensigt at omfatte gasformige, flydende og faste carbonhydrider, carbonholdige materialer og blandinger deraf. Faktisk falder praktisk taget ethvert brændbart carbonholdigt organisk materiale eller opslæmninger deraf ind under definitionen af betegnelsen "carbonhydridholdig". F.eks. kan nænnes(1) opslæmninger af faste carbonholdige brændsler, der kan pumpes, såsom kul, partikelformigt carbon, petroleumskoks, koncentreret kloakslam,samt blandinger deraf, (2) gas-faststof-suspensioner såsom finforraalet faste carbonholdige brændsler dis-pergeret i enten en temperaturmodererende gas eller i et gasformigt carbonhydrid, og (3) gas-væske-faststof dispersioner såsom finforstøvet flydende carbonhydridbrændsler eller vand og partikelformigt carbon dispergeret i en temperaturmodererende gas. De carbonhydrid-holdige brændsler kan have et svovlindhold i intervallet fra ca.

0 til ca. 10 vægtprocent og et askeindhold i intervallet fra ca.

0 til ca. 15 vægtprocent.

Betegnelsen "flydende carbonhydrid", der anvendes i det foreliggende til beskrivelse af passende flydende fødematerialer, har til hensigt at omfatte forskellige materialer såsom jordoliegas på flydende form, jordoliedestillater og -residua, benzin, naphtha, petroleum, rå jordolie, asfalt, gasolie, residualolie, tjæresandolie og skiferlersolie, kulolie, aromatiske carbonhydrider (såsom benzen-,toluen- og xylenfraktioner), kultjære, cirkulationsgasolier fra fluidkatalytiske krakningsoperationer, furfuralekstrakter af forkoksningsgasolie, samt blandinger deraf. Egnede gasformige carbonhydridbrændsler til gasformige fødematerialer omfatter methan, 6 UU85 ethan, propan, butan, pentan, naturgas, vandgas, koksovnsgas, raffi-naderigas, acetylen-restgas, ethylen-off-gas, syntesegas, og blandinger deraf. Både gasformige og flydende fødematerialer kan blandes og anvendes samtidig og kan indeholde paraffiniske, olefiniske, naphthenske og aromatiske forbindelser i ethvert forhold.

Definitionen af betegnelsen "carbonhydridholdig" omfatter også oxygenerede carbonhydridholdige organiske materialer såsom carbon-hydrater, cellulosematerialer, aldehyder, organiske syrer, alkoholer, ketoner, oxygenerede brændselsolier, affaldsvæsker og biprodukter fra kemiske processer indeholdende oxygenerede carbonhydridholdige organiske materialer samt blandinger deraf.

Det carbonhydridholdige fødemateriale kan befinde sig ved stuetemperatur eller kan være forvarmet til en temperatur i intervallet fra ca. 316 til ca. 649°C, men fortrinsvis under krakningstemperaturen deraf. Det carbonhydridholdige fødemateriale kan indføres i brænderen i flydende fase eller i en dampformig blanding med en tem-peraturmoderator. Som passende temperaturmoderatorer kan nævnes H2O, CC^-rig gas, en del af den afkølede rene udstødsgas fra den ifølge opfindelsen på afgangssiden anvendte gasturbine med eller uden tilblanding af luft, nitrogenbiprodukt fra luftseparations-anlægget, der vil blive yderligere beskrevet, samt blandinger af de førnævnte temperaturmoderatorer.

Anvendelsen af en temperaturmoderator til moderering af temperaturen i reaktionszonen afhænger i almindelighed af fødematerialets carbon-til-hydrogen forhold samt oxygenindholdet i oxidantstrømmen.

En temperaturmoderator behøver ikke at være påkrævet ved nogle gasformige carbonhydridbrændsler, men i almindelighed anvendes der en temperaturmoderator i forbindelse med flydende carbonhydridbrændsler og i forbindelse med praktisk taget ren oxygen. Når en CO 2“ holdig gasstrøm med f.eks. mindst ca. 3 mol-% CC^ (tør basis) anvendes som temperaturmoderator, kan molforholdet (CO/H2) i den dannede afgangsgasstrøm forøges. Som ovenfor nævnt kan temperaturmoderatoren indføres i sammenblanding med den ene eller med begge reaktantstrømme. Alternativt kan temperaturmoderatoren indføres i gasgeneratorens reaktionszone via en separat ledning i brænderen.

I overensstemmelse med den foreliggende opfindelse kan molforholdet (CO/H2) i den som brændstof i gasturbinen anvendte afgangsgas om ønsket forøges. Dette betyder, at et højere trykforhold pr. turbinetrin kan opnås,og et mindre antal trin behøves derfor. Turbinens størrelse formindskes, og dens termodynamiske effektivitet 7 144485 forøges. Det foretrækkes ifølge opfindelsen, at temperaturmoderato-ren består af mindst en del af den C02~rige strøm fra trin (2), mindst en del af udstødningsgassen fra trin (4), vand eller blandinger deraf. Når en C02-holdig temperaturmodererende gasstrøm, f.eks. en gasstrøm, som i det væsentlige består af ren C02 (mindst 95 mol-% C02 på tør basis) recirkuleret fra gasrensningszonen, der skal beskrives i det følgende, anvendes, eller når en del af den rene røggasudstødning fra gasturbinen, der skal beskrives i det følgende, anvendes, formindskes, eller fortrinsvis udelades anvendelsen af en supplerende mængde H20. Det foretrækkes endvidere, at en del af den C02-rige gasstrøm fra trin (2) blandes med afgangsgasstrømmen fra trin (1), og at blandingen underkastes en ikke-katalytisk omvendt termisk vand-gas-konvertering til forøgelse af molforholdet (CO/H2) i brændstofgasstrømmen til en værdi, som ligger over 0,3. Således kan det i systemet fremstillede C02 fordelagtigt anvendes som en temperaturmoderator i gasgeneratoren, eller det fremstillede C02 kan anvendes ved den omvendte termiske konvertering, der beskrives yderligere nedenfor, eller det dannede C02 kan anvendes begge steder.

Som temperaturmoderator kan en gasformig strøm omfattende mere end 3 mol-% C02 ved en temperatur i intervallet fra ca. stuetemperatur til ca. 538°C og et tryk, der ligger en smule over generatortrykket, indføres i reaktionszonen, idet vægtforholdet mellem CC>2 og brændsel ligger i intervallet fra ca. 0,3 til ca. 1,0.

Når forholdsvis små mængder H20 indfødes i reaktionszonen, f.eks. igennem brænderen til afkøling af brænderspidsen, kan det pågældende H20 enten blandes med det carbonhydridholdige fødemateriale, den frie oxygenholdige gas, temperaturmoderatoren eller kombinationer deraf. Vægtforholdet mellem vand og det carbonhydridholdige fødemateriale kan ligge i intervallet fra ca. 0,0 til ca. 1,0, og fortrinsvis fra ca. 0,0 til mindre end 0,2.

Betegnelsen "fri oxygenholdig gas", der anvendes i det foreliggende, har til hensigt at omfatte luft, oxygenberiget luft, dvs. luft indeholdende mere end 21 mol-% oxygen, samt i alt væsentligt ren oxygen, dvs. mere end 95 mol-% oxygen (hvor resten omfatter N2 og ædle gasarter). Pri oxygenholdig gas kan indføres i brænderen ved en temperatur i intervallet fra ca. stuetemperatur til ca.

982°C. Forholdet mellem fri oxygen i oxidanten og carbon i føde-materialet (0/C, atom/atom) ligger fortrinsvis i intervallet fra ca. 0,7 til ca. 1,5.

ø 144485 Fødestrømmene indføres i brændstofgasgeneratorens reaktionszone ved hjælp af en brænder. Der kan passende anvendes en brænder af den ringformede type, der er beskrevet i USA-patentskrift nr. 2.928.460.

Fødestrømmene omsættes ved partiel oxidation uden katalysator i reaktionszonen af en fristrømsgasgenerator ved en autogen temperatur i intervallet fra ca. 816 til ca. 1927°C og ved et tryk i intervallet fra ca. 10 til ca. 180 ata. Reaktionstiden i brændstof-gasgeneratoren ligger på fra ca. 1 til ca. 10 sekunder. Brændstofgassen, der forlader gasgeneratoren kan have følgende sammensætning (mol-% på tør basis), hvis det antages, at mængden af ædle gasarter er forsvindende: C0=15-57, 1^=70-10, 002=1,5-5, CH^=0,0-20, N2=0-75, H2S=0-2,0 og C0S=0-0,1. Uomsat partikelformigt carbon (på basis af vægten af carbon i fødematerialet) udgør fra ca. 0,2 til ca. 20 vægt-% ved anvendelse af flydende fødematerialer,men er sædvanligvis forsvindende ved anvendelse af gasformige carbonhydrid-fødematerialer. Molforholdet (C0/H2) på tør basis i afgangsgassen fra generatoren ligger sædvanligvis på mindst 0,30, og fortrinsvis i intervallet fra 0,30 til 1,5.

Strømmen af varm afgangsgas fra gasgeneratoren føres ind i et særskilt ildfast foret stålkammer, fortrinsvis ved en temperatur i intervallet fra ca. 816 til ca. 1927°C, dvs. en temperatur som den i gasgeneratoren frembragte,og ca. ved gasgeneratorens tryk, f.eks. et tryk på 10 til 180 ata, og fortrinsvis 15 til 60 ata. F.eks. kan der anvendes et sfærisk kammer 12, såsom det på tegningen viste og i beskrivelsen til USA-patent nr. 3.565.588 omhandlede. Det sfæriske kammer er upakket og indeholder ingen hindringer for gasstrømmen deri. En del af det faste stof, som kan medføres i afgangsstrømmen af brændstofgas, udskilles og kan fjernes via en udledning, der befinder sig i det sfæriske kammers bund og fører til et slusekammer (se den i tegningen viste, med flange forsynede udledning 13).

Når det ønskes at forøge molforholdet (C0/h2) i afgangsgasstrømmen yderligere, kan følgende ikke-katalytiske, termiske, omvendte vand-gas-konverteringstrin anvendes. En strøm af supplerende C02~rig gas, der senere udvindes ved processen, indføres samtidig i det sfæriske kammer ved en temperatur i intervallet fra ca. 260 til ca. 816°C og ved et tryk, der er en smule højere end trykket i gasgeneratoren.

I dette tilfælde indføres på tør basis ca. 0,1 - 2,5 mol supplerende CC>2 i det sfæriske kammer pr. mol afgangsgas fra gasgeneratoren.

9 144485

Gasserne blandes, og ved ikke-katalytisk, termisk, omvendt vand-gas-konvertering ved en temperatur på mindst 816°C, og fortrinsvis i intervallet fra ca. 816 til ca. 1538°C, omsættes det pågældende C02 med en del af hydrogenet i afgangsgasstrømmen fra generatoren til dannelse af yderligere CO og H20. Molforholdet (CO/H2) på tør basis i afgangsgassen fra gasgeneratoren kan forøges ved dette trin med ca.

10 - 200%, og passende med 15 - 50%. Således kan afgangsgasstrømmen forlade den termiske konverteringszone med et molforhold (CO/H2) på tør basis, der ligger i intervallet fra over 0,3 til 6,0, og fortrinsvis i intervallet fra ca. 0,4 til ca. 4,5 og fordelagtigt på mere end 1,5. Det foretrækkes således, at den C02-rige gasstrøm fra trin (2) komprimeres til et tryk, der ligger over trykket i gasgeneratoren i trin (1), ved hjælp af en kompressor, der drives af .ekspansionsturbinen i trin (4), og at temperaturen ved vand-gas-konver-teringen holdes på mindst 816°C, samt at CO/H2-molforholdet forøges til en værdi (tør basis) i intervallet fra over 0,3 til 6,0.

Den ovennævnte adiabatiske, ikke-katalytiske, termiske, omvendte højtemperatur vand-gas-konvertering begynder i det isolerede sfæriske kammer og fortsætter i den isolerede ledning, der forbinder det sfæriske kammers sideudledning med den med flange forsynede tilledning i bunden af en spildvarmekedel. I denne forbindelse henvises til beskrivelsen til USA-patent nr. 3.723.344. Således konverteres afgangsstrømmen af brændstofgas termisk uden katalysator ved passagen mellem procestrinnene. Opholdstiden i vand-gas-konverteringszonen ligger i intervallet fra ca. 0,1 til ca. 5 sekunder.

Den ovennævnte ikke-katalytiske, termiske, omvendte konverteringsreaktion finder sted i en fortrinsvis adiabatisk, upakket fristrøms-reaktionszone, der er adskilt fra brændstofgasgeneratoren. Fortrinsvis er temperatur- og trykforholdene, hvorved den omvendte termiske konvertering finder sted, praktisk taget de samme som i brændstof-gasgeneratoren, bortset fra sædvanligt trykfald i ledningen og eventuel afkøling som følge af den frie varme i den supplerende C02~strøm og den endoterme reaktionsvarme. Forøgelse af C0/H2“forholdet i brændstofgassen vil forøge dens forbrændingsvarme pr. mol og forøge dens molekylvægt. Således giver ved 298°K: CO + ^2 ^ C02 + 67,64 kg.kal/g mol 44 molvægt H2 + ^2 ^ H20(gas) + 57,80 kg.kal/g mol 18 molvægt U4485 10

Fordelagtigt forbedrer dette den termiske effektivitet af brændstofgassen på afgangssiden og tillader anvendelsen af mindre gasturbiner. Ydermere er behovet for overskudsluft, der kræves til god forbrænding i gasturbinens forbrændingskammer i den ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen anvendte semi-lukket-cyklus gasturbine mindre end ca. halvdelen af den mængde, der kræves til en åben-cyklus gasturbine.

Afgangsstrømmen af brændstofgas føres så gennem en serieforbundet spildvarmekedel, hvor der foregår indirekte varmeveksling med vand. Brændstofgasstrømmen afkøles derved til en temperatur i intervallet fra ca. 260 til ca. 393°C. Herved kan der fremstilles en biproduktdamp med en temperatur i intervallet fra ca. 232 til ca. 371°C til anvendelse andetsteds i processen. F.eks. kan den nævnte damp anvendes som arbejdsmedium i en ekspansionsturbine til produktion af energi, f.eks. til drift af kompressoren i et konventionelt luftseparationsanlæg. Om ønsket kan dampen overhedes til en temperatur i intervallet fra ca. 399 til ca. 649°C, og den overhedede damp kan anvendes som arbejdsmedium i en dampturbine. Overvarmningen kan f.eks. ske ved indirekte varmeveksling med ren røggas, der forlader gasturbinen eller i en ovn, fortrinsvis fyret med den rene brændstofgas, for at undgå forurening af omgivelserne.

Det er således en foretrukket udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen, at afkølingen af afgangsgassen fra trin (1) sker ved indirekte varmeveksling med vand under dannelse af damp, og at en del af dampen overhedes ved indirekte varmeveksling med udstødningsrøggassen fra ekspansionsturbinen i trin (4), hvorefter i det mindste en del af den overhedede damp ledes som arbejdsmedium igennem en dampturbine, der driver en kompressor eller en elektrisk generator.

Den delvis afkølede strøm af brændstofgas, der forlader spildvarmekedlen, ledes ind i en gasrensningszone, hvor partikelformigt carbon og andre medførte faststoffer kan fjernes derfra. Opslæmninger af partikelformigt carbon i et flydende carbonhydridbrændsel kan fremstilles i rensningszonen og kan recirkuleres til brændstofgasgenera-toren, hvor det tjener som i det mindste en del af fødematerialet. Enhver konventionel egnet måde til fjernelse af suspenderede faststoffer fra en gasstrøm kan anvendes. Ved en udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen indføres brændstofgasstrøromen i en gasvæske skrubningszone, hvor den skrubbes med et skrubningsfluidum, såsom flydende carbonhydrid eller vand. En passende væske-gas kolonne af bakketypen er beskrevet i Perry's Chemical Engineers' Handbook, 4. udgave, McGraw-Hill 1963, side 18-3 til 5.

U4485

Ved således at lede strømmen af brændstofgas op igennem en skrubningskolonne i direkte kontakt og i modstrøm med et passende skrubningsfluidum.eller med fortyndede blandinger af partikelformigt carbon og skrubningsfluidum, der flyder ned igennem kolonnen, kan det partikelformige carbon fjernes fra brændstofgassen. En opslæmning af partikelformigt carbon og skrubningsfluidum fjernes fra bunden af kolonnen og sendes til en carbon-separationszone eller -koncentrationszone. Dette kan ske på en hvilken som helst egnet konventionel måde, f.eks. ved filtrering, centrifugering, sedimentering eller ved flydende carbonhydrid-ekstraktion, såsom ved den i beskrivelsen til USA-patent nr. 2.992.906 omhandlede proces. Rent skrubningsfluidum eller fortyndede blandinger af skrubningsfluidum og partikelformigt carbon recirkuleres til toppen af kolonnen til skrubning af mere brændstofgas .

Andre egnede konventionelle gasafkølings- og rensningsmetoder kan anvendes i kombination med eller i stedet for ovennævnte skrubningskolonne. F.eks. kan strømmen af brændstofgas indføres under overfladen af et bassin med bratkølings- og skrubningsfluidum ved hjælp af en dypperørsenhed. Strømmen af brændstofgas kan også ledes igennem et antal skrubningstrin omfattende en skrubber/ såsom en venturi- eller dyseskrubber, som vist f.eks. i Perry's Chemical Engineers' Handbook, 4. udgave, McGraw-Hill 1963, side 18-54 til 56.

Der dannes i alt væsentligt intet partikelformigt carbon ud fra gasformige carbonhydridholdige brændsler, såsom naturgas eller methan.

I et sådant tilfælde behøver førnævnte gasskrubningstrin ikke at være nødvendigt.

I en yderligere gasrensningszone kan CC>2/ ^S, COS, ^0, NH^ og andre gasformige urenheder fjernes fra den afkølede og rensede gasstrøm, der forlader gasrensningszonen til fjernelse af faste partikelformige urenheder. Egnede konventionelle metoder kan anvendes til denne yderligere rensning,og som eksempler kan nævnes frysning og fysisk eller kemisk absorption med opløsningsmidler såsom methanol, n-methylpyrrolidon, triethanolamin, propylencarbonat,eller alternativt med aminer eller varm kaliumcarbonat.

Ved opløsningsmiddelabsorptionsprocessen kan det meste af det i opløsningsmidlet absorberede CO2 frigøres ved simpel lynfordampning. Resten kan fjernes ved afdrivning. Dette kan gøres økonomisk med nitrogen. Nitrogen kan opnås som et billigt biprodukt, når et konventionelt luftseparationsanlæg anvendes til fremstilling af praktisk taget ren oxygen (95 mol-% O2 eller mere) til anvendelse som den oxygen- 12 144486 rige gas i brændstofgasgeneratoren. Det regenererede opløsningsmiddel recirkuleres så til absorptionskolonnen til genbrug. Om nødvendigt kan den endelige rensning ske ved at lede procesgassen igennem jernoxid, zinkoxid eller aktivt kul til fjernelse af resterende spor af H2S eller organisk sulfid. Om ønsket kan en strøm af CC^-rig gas indeholdende CO2 i en mængde på ca. 25 - 100 mol-%,og fortrinsvis i en mængde på mere end 98,5 %, fremstilles til anvendelse i ovennævnte ikke- katalytiske, termiske, omvendte vand-gas-konverteringstrin i processen. Om ønsket kan en udvundet strøm af CO2 recirkuleres til brændstof-gasgeneratoren til anvendelse som den temperaturmodererende gas eller en del deraf. I et sådant tilfælde kan små mængder H2S og COS befinde sig i C02_strømmen.

Tilsvarende kan det H2S- og COS-holdige opløsningsmiddel regenereres ved lynfordampning og afdrivning med nitrogen eller alternativt ved opvarmning og tilbagesvaling ved formindsket tryk uden anvendelse af en inert gas. H2S og COS omdannes så til svovl på passende måde. F.eks. kan Claus-processen anvendes til fremstilling af elementært svovl ud fra E^S som beskrevet i Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 2. udgave, bind 19, John Wiley, 1969, side 353. Overskydende SO2 i restgasserne fra Claus-anlægget kan fjernes og bortsmides i kemisk kombination med kalksten eller ved hjælp af en passende kommerciel ekstraktionsproces. I almindelighed er sammensætningen af den rene brændstofgas i mol-% (tør basis) som følger: H2=10 til 60, C0=15 til 60, CH4=0,0 til 25, C02= 0,0 til 5 og N2=0,0 til 75. Brændværdien i kcal/m^ er mindst 623, og passende 668-3115, og fortrinsvis mellem 668 og 1335, f.eks. ca. 800.

Strømmen af ren brændstofgas fra gasrensningszonen befinder sig ved en temperatur i intervallet fra ca. 33 til ca. 427°c °g ved et tryk i intervallet fra ca. 10 til ca. 180 ata, og fortrinsvis mellem 15 og 60 ata. Det foretrækkes, at trykket af brændstofgassen på dette sted er praktisk taget det samme som trykket frembragt i brændstof gasgeneratoren, bortset fra sædvanligt ledningstab. Fortrinsvis forvarmes strømmen af brændstofgas til en temperatur i intervallet fra ca. 204 til ca. 427°C ved indirekte varmeveksling med en del af den varme strøm af udstødningsrøggas fra hovedekspansionsturbinen på processens afgangsside, før brændstofgassen indføres i gasturbinens forbrændingskammer. I forbrændingskammeret indføres samtidig ca. 1,0-3,0 voluminer af en gasformig oxiderende strøm pr. volumen ren brændstofgas. Den gasformige oxiderende strøm omfatter en fri oxygenholdig gas (fortrinsvis luft) i blanding med en del af udstødningsrøggassen 144485 13 fra ekspansionsturbinen, der beskrives nedenfor. Volumenforholdet mellem fri oxygenholdig gas og røggas ligger i intervallet fra ca.

0,20 til ca. 2,0, og fortrinsvis i intervallet fra 0,4 til 1,2. Den forvarmede strøm af ren brændstofgas forbrændes så med den gasformige oxiderende strøm i gasturbinens forbrsndingskammer.

Når den gasformige oxiderende strøm indføres i gasturbinens forbrændingskammer ved en temperatur i intervallet fra ca. 204 til ca. 427°C og ved praktisk taget samme tryk som brændstofgassen,har den rene røggas, der forlader forbrændingskammeret ved en temperatur i intervallet fra ca. 760 til ca. 1649°C, og sædvanligvis 871 til 1149°C, og ved et overtryk i intervallet fra ca. 3,5 til ca. 70 kp/cm2 eller derover, og fortrinsvis ved 7 til 28 kp/cm2 eller derover, følgende typiske sammensætning i mol-%: CC>2=4-10, H20=3-6, N2 =75-85 og O2=5-10. Kun en meget lille koncentration af nitrogenoxider (NO ) kan findes i røggassen. Dette skyldes den i forbrændingskammeret herskende forholdsvis lave temperatur, der primært er et resultat af den forbedrede brændstofgas' forholdsvis lave adiabatiske flammetemperatur. Ydermere er S02-indholdet i røggassen 0, og mængden af medførte partikelformige bestanddele er uvæsentlig.

Den rene røggas, der forlader forbrændingskammeret,ledes igennem mindst én energiudviklende ekspansionsturbine som arbejdsmedium.

Mindst én elektrisk generator og mindst én turbokompressor kan via en til variabel hastighed indrettet kraftoverføring kobles til f.eks. turbineakslen. Den gasformige oxiderende strøm kan før indføring i gasturbinens forbrændingskammer,og carbondioxidet fra gasrensningszonen kan før recirkulering til brændstofgasgeneratoren eller til det ovennævnte sfæriske blandingskammer komprimeres ved hjælp af de omhandlede turbokompressorer til et passende tryk, f.eks. til over 10 - 190 ata.

Den rene udstødningsrøggas forlader hovedekspansionsturbinen ved en temperatur i intervallet fra ca. 427 til ca. 649°C og ved et tryk i intervallet fra ca. 1,0 til 7,0 ata. Fra ca. 0 til ca. 50 volumenprocent af denne strøm kan som ovenfor beskrevet om ønsket separeres og ledes igennem en varmeveksler til indirekte varmeveksling med den rene brændstofgas på dennes vej til gasturbinens forbrændingskammer. Efter varmeveksling kan den afkølede rene udstødningsrøggas udledes i atmosfæren via en skorsten. Der foregår praktisk taget ingen atmosfærisk forurening, da de gasformige urenheder forud er fjernet. Fortrinsvis udledes strømmen af varmevekslet udstødningsrøggas efter yderligere ekspansion i en kraftfrembringende turbine.

14 144485

Den resterende del af strømmen af ren udstødningsrøggas fra hovedekspansionturbinen ledes igennem en varmeveksler til indirekte varmeveksling med ovennævnte komprimerede gasformige oxiderende strøm. På denne måde kan den gasformige oxiderende strøm forvarmes til en temperatur i intervallet fra ca. 149 til ca. 427°C,før den indføres i gasturbinens forbrændingskammer. Fra ca. 20 til ca. 70 volumenprocent af strømmen af udstødningsrøggas afkølet ved ovennævnte indirekte varmeveksling til en temperatur i intervallet fra ca. 38 til ca.

149°C kan,fortrinsvis efter yderligere ekspansion i en energifrem-bringende turbine,udledes i atmosfæren uden at forårsage forurening. Den resterende del af den afkølede strøm af udstødningsrøggas blandes med en fri oxygenholdig gas til frembringelse af den gasformige oxiderende strøm. Den frit oxygenholdige gas kan udvælges fra gruppen bestående af luft, oxygenberiget luft (indeholdende mere end 21 mol-% 0«) og i alt væsentligt ren oxygen (indeholdende mere end 95 mol-% 02,.

Således kan fortrinsvis luft ved normalt tryk og stuetemperatur indføres i systemet ved hjælp af en fødekompressor, der er koblet til hovedekspansionsturbinens aksel. Blandingen af luft og udstødningsrøggas er ovenfor benævnt som den gasformige oxiderende strøm, og denne strøm udviser følgende typiske analyse i mol-%: C02=3,0 til 5,0, H20=1,0 til 4,0, N2=75 til 35, 02=10 til 20 og Ar=0,9 til 1,5.

Den gasformige oxiderende strøm komprimeres til det ønskede tryk i intervallet fra ca. 5 til ca. 65 ata i mindst én kompressor, der fortrinsvis er koblet til hovedekspansionsturbinens aksel. Sædvanligvis afkøles gasstrømmen før og mellem kompressorer. Den gasformige oxiderende strøm forvarmes så og indføres i forbrændings-kammeret som beskrevet ovenfor. Om ønsket kan fra ca. 0 til ca. 20 volumen-% af den gasformige oxiderende strøm indføres i gasgeneratoren som i det mindste en del af den temperaturmodererende gas.

Om ønsket kan den ved processen i gasgeneratoren dannede og i spildvarmekedlen afkølede brændstofgas anvendes som arbejdsmedium i en serieforbundet energiudviklende ekspansionsturbine, der f.eks. befinder sig efter spildvarmekedlen og passende efter gasrensningszonen til fjernelse af partikelformige urenheder eller efter den yderligere gasrensningszone til fjernelse af gasformige urenheder. Specielt foretrækkes det, at afgangsgasstrømmen fra trin (1) efter afkøling ved et tryk, som i alt væsentligt svarer til gasgenerator-trykket, bortset fra sædvanligt ledningstrykfald, ledes igennem en ekspansionsturbine, der befinder sig på tilgangssiden af gasturbinens forbrændingskammer.

15 14448B

Alternativt kan udvinding af den frie varme i den rene røggas, der forlader ekspansionsturbinen ved en temperatur i intervallet fra ca. 427 til ca. 649°C og ved et tryk i intervallet fra ca.

1,0 til ca. 7,0 ata, ske ved varmeveksling med den damp, der dannedes i spildvarmekedlen på gasgeneratorens afgangsside. Derved kan dannes overhedet damp med en temperatur i intervallet fra ca. 399 til ca. 649°C. Den overhedede damp kan anvendes som arbejdsmedium i en ekspansionsturbine. Dampturbinens aksel kan f.eks. via en variabel kraftoverføring kobles til en turbokompressors aksel eller til en elektrisk generator eller til begge dele. Den rene røggas kan derpå komprimeres i turbokompressoren til et tryk i intervallet fra over 10 til 180 ata, og fortrinsvis ved en temperatur i intervallet fra ca. 204 til ca. 316°C. Den rene røggas kan derpå recirkuleres til brændstofgasgeneratoren til anvendelse som temperaturmodererende gas eller en del deraf. Alternativt kan den rene brændstofgas udledes i atmosfæren uden at bevirke forurening. Alternativt kan den frie varme i røggassen, der forlader ekspansionsturbinen, udvindes ved for-varmning af den i forbrændingskammeret i gasturbinen indførte luft, ved dannelse af yderligere højtryksdamp eller ved forvarmning af kedelføde vandet .

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen belyses i det følgende ved hjælp af den skematiske tegning, der belyser en foretrukken udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen.

Idet der henvises til tegningen, er en ikke-katalytisk, ildfast foret fristrømsbrændstofgasgenerator 1 som ovenfor beskrevet forsynet med en på tilgangssiden aksialt indrettet og med flange forsynet tilledningsåbning 2 og på afgangssiden med flange forsynet afgangsåbning 3. Som ovenfor beskrevet er en brænder 4 af den ringformede type, hvor centerpassagen 5 er indrettet aksialt med gasgeneratorens 1 akse, anbragt i tilledningsåbningen 2. Passagen 5 har en tilledningsende 6 og en konisk formet afgangsende 7. En koncentrisk koaksial ringformet passage 8 med en tilledning 9 på tilgangssiden og en konisk formet afgangsåbning 10 på afgangssiden er ligeledes tilvejebragt.

.Til gasgeneratorens 1 afgangsåbning 3 er der forbundet et med ildfast foring forsynet sfærisk formet fristrømskammer 12 via en med flange forsynet tilledningsåbning 11. Kammeret 12 har en på afgangssiden anbragt med flange forsynet og normalt lukket askeafgangsåbning 13, en i siden anbragt og med flange forsynet tilledningsåbning 14 samt et med ildfast foring forsynet sideudledningsrør 15, hvis ende på afgangssiden er forbundet med spildvarmekedlen 17. F.eks.

144485 16 ledes vand i ledning 18 igennem rørsystemet 19 inden i kedlen 17 i indirekte varmeveksling med varme gasser, der passerer på ydersiden af rørsystemet. Vandet fordamper og forlader spildvarmekedlen som damp via ledning 20. Andre passende kedler eller varmevekslere kan anvendes.

Carbonhydridholdig føde på flydende form eller på dampform kan som tidligere beskrevet indføres i systemet via ledning 25, ventil 26 og ledningerne 27 og 34. Ydermere kan koncentrerede opslæmninger af partikelformigt carbon i vand eller flydende carbon-hydridbrændsler pumpes via pumpen 28 fra carbonseparationszonen 29 igennem ledningerne 30 og 31, ventilen 32, ledning 33 og ind i ledning 34, hvor blanding af fødestrømmene kan finde sted. Fødeblandingen forvarmes så fortrinsvis i varmeveksleren 220 og indføres i gasgeneratorens reaktionszone 35 via ledning 221, tilledning 9 og den ringformede passage 8 eller brænderen 4.

En del af dampen dannet i spildvarmekedlen 17 kan ledes ind i reaktionszonen 35 som et temperaturmodererende fluidum via ledning 20, ledningerne 36 - 38, ventil 39, ledningerne 40 og 41 samt centerpassagen 5 i brænderen 4. En anden del af dampen fra kedlen 17 kan anvendes som arbejdsmedium i en dampturbine. F.eks. kan dampen føres igennem ledningerne 20, 36, 37, 45 og 46, ventilen 47 og ledningen 48 ind i ekspansionsturbinen 49. Udstødningsdampen forlader turbinen via ledning 50. Ekspansionsturbinen 49 driver turbokompressoren 51, der komprimerer luften, der tilledes via ledning 52 og forlader kompressoren via ledning 53. Den komprimerede luft kan så indføres i gasgeneratorens 1 reaktionszone 35 via ledning 53, ventil 55, ledningerne 56 og 57, ventil 58 og ledningerne 59 og 41 samt centerpassagen 5 i brænderen 4.

Om ønsket kan al luften eller en del af luften fra turbokompressoren 51 til gasgeneratoren 1 erstattes af i alt væsentligt ren oxygen. Oxygen og nitrogen kan fremstilles i et tilknyttet konventionelt luftseparationsanlæg ASU 42, hvor afgangsledningen for i alt væsentligt ren oxygen er betegnet med 63 og afgangsledningen for nitrogen med 64. Nitrogen kan anvendes senere i processen i gasrens-ningszonén 65. En del af den i spildvarmekedlen 17 dannede damp kan anvendes til at drive en turbine 69. I dette tilfælde ledes dampen igennem ledningerne 20, 36, 37, 45 og 66, ventil 67, ledning 68 og igennem dampturbine 69 som arbejdsmedium, hvorefter den forlader dampturbinen via ledning 7 0. Luft ledes ind i den koblede turbokompressor 71 via ledning 72. Luften komprimeres og ledes så ind i luftseparationsanlægget 42 via ledning 73. Oxygen i ledning 63 komprimeres 17 144485 af den dampdrevne stempel- eller centrifugalkompressor 74 og ledes så gennem ledning 75, ventil 76, ledninger 77 og 78, ventil 79, ledninger 80 og 41 ind i brænderens 4 centerpassage 5. Damp til at drive kompressoren 74 kan opnås fra kedlen 17 via ledning 20, 36 og 85, ventil 86 og ledning 87. Luftseparationsanlæggets energikrav kan formindskes ved at fremstille en frit oxygenholdig gas indeholdende 60 -80 mol-% 02- I stedet for eller sammen med damp kan den temperaturmodererende gas, der indføres i reaktionszonen 35, passende være en C02-holdig gas, f.eks. en blanding af luft og turbineudstødningsgas dannet senere i processen fra ledning 187, eller en C02-^ig strøm uden eller med en lille mængde og COS fra ledning 91 eller en blanding deraf.

Den C02-rige strøm kan opnås senere i processen fra gasrensingszonen 65 under rensning af afgangsgasstrømmen fra gasgeneratoren 1. Den C02-rige strøm, der forlader gasrensningszonen 65 via ledning 91 kan således komprimeres i turbokompressor 92 og derpå ledes ind i gasgeneratorens 1 reaktionszone via ledning 93 og 94, ventil 95, ledning 96 og 57, ventil 58, ledning 59 og 41 samt brænderens 4 centerpassage 5. Fortrinsvis kan en del af den C02~rige strøm via ledning 97, ventil 98, ledning 99 og den med flange forsynede tilledning 14 indføres i det sfæriske blandingskammer 12, hvor den omvendte ikke-katalytiske termiske vand-gas skiftreaktion finder sted med en del af hydrogenet i afgangsgassen fra gasgeneratoren 1, hvorved molforholdet (C0/H2) i brændstofgasstrømmen forøges.

En komprimeret gasformig oxiderende strøm, der dannes senere i processen, kan via ledning 187 om ønsket indføres i gasgeneratorens 1 reaktionszone 35 som temperaturmoderator. F.eks. kan denne strøm indføres via ledning 101, ventil 102, ledning 103 og 78, ventil 79, ledning 80 og 41, samt brænderens 4 centerpassage 5.

I alt væsentligt ren oxygen fra ledning 77 kan blandes med strømmen af oxiderende gas i ledning 78. Alternativt kan en del af den gasformige oxiderende strøm indføres i reaktionszonen i blanding med det carbonhydridholdige fødemateriale.

Den i gasgeneratorens 1 reaktionszone 35 dannede afgangsgas blandes om ønsket med C02 i det sfæriske kammer 12 til opnåelse af en termisk skiftreaktion deri og også i udledningsrøret 15, hvorpå gasstrømmen afkøles i spildvarmekedlen 17. Den afkølede brændstofgasstrøm ledes ind i en konventionel gasrensningszone 110 via ledning 111 og 112, ventil 113, ledning 114 og 115 samt 18 U4485 den med flange forsynede tilledning 116. Om ønsket kan hele eller en del af den delvis afkølede afgangsgasstrøm anvendes som arbejds-medium i en eller flere ekspansionsturbiner,, der befinder sig i forskellige steder af systemet, f.eks. før eller efter gasrensnings-zonen 110 eller gasrensningszonen 65. F.eks. kan afgangsstrømmen af rå brændstofgas i ledning 111 ledes igennem ledning 117, ventil 118 og ledning 119 ind i ekspansionsturbinen 120. Brændstofgassen, der forlader turbinen 120, ledes igennem ledning 121, ventil 122, ledning 123 og 115 samt den med flange forsynede tilledning 116. Turbokompressorer 124 og 125 drives af ekspansionsturbine 120 og kan anvendes til komprimering af andre fluida i systemet. F.eks. kan nitrogen indføres i kompressor 124 via ledning 126 og forlade kompressoren via ledning 127. Luft kan indføres i kompressor 125 via ledning 128 og forlade kompressoren via ledning 129.

Den i spildvarmekedlen 17 delvis afkølede rå afgangsbrændstofgas fra brændstofgeneratoren 1 afkøles yderligere og renses i gasrensningszonen 110 ved at blive bragt i direkte kontakt og skrubbet med rent skrubningsfluidum eller en recirkuleret og fortyndet opslæmning af partikelformigt carbon og skrubningsfluidum.

Det rene skrubningsfluidum kan indføres i gasrensningszonen via ledning 134, ventil 135 samt ledning 136 og 137. Gasrensningszonen kan f.eks. være en vertikal skrubningskolonne med et antal horisontale bakker. I dette tilfælde bringes gassen, eftersom den passerer op igennem tårnet,på hver bakke i kontakt med et skrubningsfluidum, f.eks. vand eller flydende carbonhydrid, der som følge af tyngdepåvirkningen strømmer ned igennem tårnet. Partikelformigt carbon fjernes derved fra brændstofgassen. Brændstofgassen bliver renere og renere, eftersom den passerer op igennem skrubningskolonnen, medens koncentrationen af partikelformigt carbon i det pågældende skrubningsfluidum bliver større og større, eftersom dette passerer ned igennem kolonnen. Opslæmningen af partikelformigt carbon og skrubningsfluidum føres ud fra bunden af skrubningskolonnen 110 og ind i en carbonseparationszone 29 via ledning 138.

I carbonseparationszonen 29 kan opslæmningen af partikelformigt carbon og skrubningsfluidum oparbejdes på konventionel måde som beskrevet ovenfor til dannelse af en strøm af ren skrubningsfluidum og en separat opslæmningsstrøm af partikelformigt carbon i et flydende bæremiddel. Således blandes en fra gasrensningszonen 110 via ledning 138 kommende opslæmning omfattende ca. 2 vægt-% partikelformigt carbon i vand med naphtha og indføres i en dekantør (ikke vist) i carbonseparationszonen 29. En dispersion af partikelformigt 19 UA485 carbon og naphtha dannes, og rent vand fjernes fra dekantøren og recirkuleres som i det mindste en del af skrubningsfluidet til gasrensningszonen 110 via ledning 140, pumpe 139 og ledning 141 og 137. Frisk flydende tung carbonhydridbrændselsolie fra ledning 43 indføres i en destillationskolonne (ikke vist) i carbonseparations-zonen 29 sammen med dispersionen af partikelformigt carbon i naphtha fra dekantøren. Naphtha fjernes fra toppen af destillationskolonnen og recirkuleres til ekstraktion af mere partikelformigt carbon fra opslæmningen af partikelformigt carbon i vand. Ved hjælp af pumpe 28 kan en forvarmet opslæmning af partikelformigt carbon i flydende tung carbonhydridbrændselsolie fra bunden af destillationskolonnen pumpes gennem ledning 30 og 31, ventil 32, ledning 33 og 34, forvarmer 220, ledning 221, tilledning 9 og ringformet passage 8 ind i gasgeneratorens 1 reaktionszone 35 som tidligere beskrevet.

Strømmen af ren brændstofgas, der forlader gasrensningszone 110, indføres i en konventionel yderligere gasrensningszone 65 via ledning 142. H2S og COS fjernes fra brændstofgassen og forlader separationszone 65 via ledning 143. I Claus-anlægget 144 brændes H2S med luft fra ledning 145 til dannelse af fast svovl, der fjernes via ledning 146, og vand, der fjernes via ledning 147. Overskud af nitrogen og andre ikke-forurenende gasformige urenheder kan afluftes via ledning 148.

Strømmen af ren brændstofgas i ledning 149 forvarmes i varmeveksler 150 og indføres i gasturbinens forbrændingskammer 152 via ledning 151. Temperaturen af den rene brændstofgas kan forøges i varmeveksler 150 ved indirekte varmeveksling med en del af udstødningsgassen fra hovedturbinen 153, før denne udstødningsgas udledes i atmosfæren via en energifrembringende ekspansionsturbine 159. F.eks. ledes en del af udstødningsgassen igennem ledning 155, ventil 156, ledning 157, varmeveksler 150, ledning 158, turbine 159 og ledning 160 til skorstenen.

Samtidig ledes en anden del af udstødningsgassen fra turbine 153 gennem ledning 165, varmeveksler 166, ledning 167, 168 og 169, hvor den blandes med luft, der tilføres systemet via ledning 170, turbokompressor 171 og ledning 172. Luften, som udgør en frit oxygen indeholdende gas, komprimeres i kompressor 171, som drives af ekspansionsturbine 153, til et tryk i intervallet fra ca. 10 til ca. 180 ata. Blandingen af luft og ren udstødningsrøggas i ledning 169, i det følgende benævnt som gasformig oxiderende strøm, afkøles i varmeveksler 173 og ledes via ledning 174, turbokompressor 175, mellemkøler 176, turbokompressor 177, ledning 178, varmeveksler 166, ledning 179 og 20 144485 180 og ind i forbrændingskammeret 152. I varmeveksler 166 forvarmes den gasformige oxiderende strøm ved indirekte varmeveksling med en del af udstødningsrøggassen fra ekspansionsturbine 153. Passende kan en del af den forvarmede gasformige oxiderende strøm i ledning 179 indføres i brændstofgasgeneratoren 1 via ledning 185, ventil 186 og ledning 187 og 101, som er en del af temperaturmoderatoren.

Den rene brændstofgas forbrændes i forbrændingskammer 152 til dannelse af ren røggas, der forlader kammeret via ledning 188. Røggassen ledes så som arbejdsmedium igennem hovedekspansionsturbine 153. Turbokompressorer 92, 175, 177 og 171 såvel som elektrisk generator 189 drives af ekspansionsturbinerne 153 og 159. Disse enheder kan kobles til samme aksel eller forbindes f.eks. med en væskekobling, dvs. 190,

Som ovenfor nævnt forlader den rene varme udstødningsrøggas hovedekspansionsturbinen 153 via ledning 154 og deles passende i to strømme, dvs. ledning 155 og 165. Voluminet af gas i hver strøm kan bestemmes ved hjælp af konventionelle varme- og vægtbalancer. Om ønsket kan en del af udstødningsgassen fra turbine 153 fjernes før eller efter varmeveksler 166 og udledes i atmosfæren via en energifrembring-ende ekspansionsturbine 159. F.eks. kan udstødningsgassen ledes igennem ledning 195, ventil 196, ledning 197, turbine 159 og ledning 160. Den rene udstødningsrøggas i ledning 160 kan udledes i atmosfæren via en skorsten uden at forårsage forurening, fortrinsvis via den energi-frembringende ekspansionsturbine 159. Om ønsket kan en del af den rene udstødningsgas i ledning 160 indføres i gasgeneratoren i den første del af systemet via ledning 101.

Alternativt kan den forholdsvis lille mængde varme, der kan ' udvindes fra gasturbinecyklen,f.eks. fra strømmen af udstødningsgas i ledning 154,anvendes som energikilde for absorptionsafkøling. Denne afkøling kan derefter anvendes til luftseparation og fjernelse af CO2 ved kondensation eller ved absorption i et opløsningsmiddel ved lav temperatur. Den førnævnte udstødningsgas kan også anvendes til forvarmning. af gasgeneratorens fødestrømme, forvarmning af skrubningsfluidum til gasrensningszonen eller til dannelse af damp.

Den pågældende lavtemperaturvarme kan også anvendes til regenerering af flydende absorbenter for C02 såsom MEA og K2C03 opløsninger.

Den turbinedrevne elektriske generator 189 kan afgive elektrisk energi til drift af væsentlige mekaniske og elektriske apparater og.instrumenter ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen indbefattende gasgenereringen og luftseparationssystemerne. Resten af den elektriske energi føres bort. Denne udformning har den væsentlige praktiske 144485 21 fordel, at driften af anlægget er uafhængig af ydre kilder for elektrisk energi. Alternativt kan mekanisk energi ved kobling 190 føres bort.

Eksempel Nærværende eksempel belyser en foretrukken udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen og angår især fremstillingen af en forbedret brændstofgas og forbrændingen af denne brændstofgas i en gasturbine, der indgår i systemet. Det bemærkes, at fremgangsmåden ifølge opfindelsen ikke er begrænset til den i eksemplet særligt omhandlede udførelsesform. Fremgangsmåden ifølge opfindelsen forløber i denne udførelsesform kontinuerligt, og strømningshastigheder for 3 alle materialestrømme er angivet pa timebasis. 426.352 standard m brændstofgas dannes ved partiel oxidation af et i det følgende nærmere beskrevet carbonhydridholdigt brændsel med luft i en konventionel vertikal, ikke-katalytisk, med ildfast foring forsynet fristrøms-brændstofgasgenerator. En del af udstødningsrøggassen fra gasturbinen, der befinder sig på gasgeneratorens afgangsside, indføres i blanding med luft i reaktionszonen til moderering af temperaturen deri. Brændstofgassen dannes i generatoren ved en autogen temperatur på ca. 1193° C og et tryk på ca. 27 ata. Middelopholdstiden i gasgeneratoren er ca. 2 sekunder. Brændstofgassen, der forlader generatoren, har følgende sammensætning i mol-%: CO=15,51, H2=10,17, C02=4,55, H20=5,12, N2=63,71, CH4=0,00, Ar=0,80, H2S=0,15 og COS=0,01. Ca. 2177 kg uom-dannet partikelformigt carbon medføres i afgangsstrømmen af brændstofgas. Molekylvægten af tør brændstofgas efter fjernelse af H20, faste partikler, C02 og H2S i en gasrensningszone på afgangssiden er 25,17 og nettoforbrændingsvarmen eller den nedre forbrændingsvarme er 735 kcal/m .

Ovennævnte brændstofgas dannes ved partiel oxidation under kontinuerlig indføring af et carbonhydridholdigt brændsel bestående af 47.538 kg af en opslæmning, som kan pumpes, og som dannes senere i processen i en brændstofgasgenerator via en brænder af den ringformede type. Opslæmningen forvarmes til en temperatur på ca. 260°C og omfatter 2179 kg partikelformigt carbon og 45.359 kg fra destillation af råolie stammende olierest med følgende grundstofanalyse (vægt-%): C=86,l%, H2=11,0%, S=2,0%, N2=0,8% og aske 0,01%. Denne olierest har en API-massefylde på 10,9, en forbrændingsvarme på 10.145 kcal/kg og en viskositet på 822 Saybolt sekunder (Furol) ved 50°C. Endvidere ind- 3 3 føres en blanding af ca. 193.300 st./m luft og 141.200 st.m røggas ved en temperatur på 260°C i gasgeneratorens reaktionszone ved hjælp af brænderen.

22 t44485

Al den varme brændstofgas, der forlader gasgeneratoren, ledes igennem et med ildfast foring forsynet sfærisk fristrømskammer, der befinder sig på afgangssiden af brændstofgasgeneratoren. En del af de medførte faststoffer afsættes af strømmen af brsndstofgas og fjernes via en åbning, der befinder sig i bunden af det sfæriske kammer. Ved hjælp af en spildvarmekedel og indirekte varmeveksling med vand som kølemiddel afkøles strømmen af brændstofgas til en temperatur på ca. 427°C, samtidig med at damp ved en temperatur på ca. 427°C dannes i spildvarmekedlen. Om ønsket kan en del af dampen anvendes til at drive kompressorer i et konventionelt luftseparationsanlæg til dannelse af i alt væsentligt ren oxygen og nitrogen. Om ønsket kan det således dannede oxygen indføres i gasgeneratoren, og nitrogenet kan indføres i en gasrensningszone senere i processen til anvendelse ved separation af gasformige urenheder.

Praktisk taget alt det partikelformige carbon og andre resterende faststoffer fjernes fra brændstofgasstrømmen i en konventionel gas-væske-skrubningskolonne. En opslæmning af partikelformigt carbon og råolie dannes og indføres i gasgeneratoren som fødemateriale som tidligere beskrevet. CO2, H2S, COS, og om ønsket H20, fjernes fra brændstofgasstrømmen i en gasrensningszone og en strøm af forbedret ren brændstofgas med i alt væsentligt følgende sammensætning (på tør basis) i mol-%: H2=ll,37, CO=17,34, N2=70,39 og Ar=0,90. Strømmen af ca. 381.200 st.m^ ren brændstofgas indføres i forbrændingskammeret i en gasturbine ved en temperatur på ca. 427°C og et tryk på ca. 20 ata. Samtidig ledes ca. 11.481 kg af en gasformig oxiderende strøm omfattende en blanding bestående af 57,79 vol.-% luft og 42,21 vol.-% udstødningsrøggas fra en ekspansionsturbine, der beskrives nedenfor, ved praktisk taget samme temperatur og tryk som den rene brændstofgas, og om ønsket H20, i forbrændingskammeret, hvor brændstofgassen forbrændes. 1.262.300 st.m3 ren røggas ved en temperatur på ca. 1093°C og et tryk på ca. 15 ata og bestående af (mol-%) N2=79,17, C02=7,79, H20=4,99, Ar=1015 og C>2=6784 dannes. Den rene røggas ledes igennem en ekspansionsturbine, der udvikler ca. 338.900 HK. En elektrisk generator er koblet til turbineakslen og drives deraf og også mindst én kompressor til komprimering af den gasformige oxiderende strøm og aflevering af mindst en del deraf til gasturbinens forbrændingskammer.

Udstødningsrøggassen, der udledes fra ekspansionsturbinen ved en temperatur på ca. 507°C og ved et tryk på ca. 1,5 ata, opdeles 3 fordelagtigt i to strømme. 732.500 st.m af røggassen ledes igennem 144485 23 en varmeveksler 150 til indirekte varmeudveksling med den rene brændstofgas på vej til forbrændingskammeret. Efter denne varmeveksling ledes udstødningsrøggassen ved en temperatur på 316°C igennem en turbine og ud i atmosfæren uden at bevirke forurening. Denne turbine vil udvikle ca. 15.600 HK.

Resten af strømmen af udstødningsrøggas fra hovedekspansionsturbinen ledes igennem en varmeveksler 166 til indirekte varmeveks- 3 ling med den gasformige oxiderende strøm omfattende 740.000 st.m 3 luft og 548.000 st.m af udstødningsrøggassen. Før denne varmeveksling komprimeres den gasformige oxiderende strøm ved hjælp af mindst én kompressor, som fortrinsvis drives af hovedekspansionsturbinen, til et tryk, der ligger en smule over trykket i brændstof gasgeneratoren. Som nævnt ovenfor indføres mindst en del af den gasformige oxiderende strøm forvarmet til en temperatur på ca.

427°C i gasturbinens forbrændingskammer.

Ved en udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen, hvor en del af den i gasrensningszonen udvundne CO2 udnyttes til forbedring af brændstofgassens sammensætning ved forøgelse af dens 3 molekylvægt og forbrændingsvarme, komprimeres ca. 53.700 st.m CC^-rig gas indeholdende mere end 95 mol-% CO2 fra gasrensningszonen ved hjælp af en turbokompressor drevet af hovedgasturbinen til et tryk, der ligger en smule over trykket i brændstofgasgeneratoren. Ved en temperatur på ca. 427°C indføres den komprimerede CC^-strøm i en med ildfast foring forsynet fristrømsbeholder, såsom den sfæriske behold-er 12 på tegningen, og blandes deri med ca. 426.100 st.m afgangsgas fra gasgeneratoren ved en temperatur på ca. 1193°C. Ved en temperatur på over 816°C finder ikke-katalytisk, adiabatisk, termisk omvendt vand-gas-konvertering sted imellem CC>2 og H2 i det med ildfast foring forsynede fristrømskammer 12 og rør 15 til forøgelse af molforholdet (C0/H2) i brændstofgasgasstrømmen. Der fremstilles en forbedret brændstofgas med følgende sammensætning i mol-%: CO=16,61, ^=6,23, CC>2= 13,25, H2O=7,05, N2=56,00, CH4=0,00, Ar=0,72, H2S=0,13 og COS=0,01.

Molekylvægten af den termisk konverterede tørre brændstofgas efter fjernelse af CO2 og forøges til 26,09, og nettoforbrændings- varmen eller den nedre forbrændingsvarme pr. mol forøges til 786 3 kcal/m . Når denne brændstofgas forbrændes i forbrændingskammeret, forøges ekspansionen sammenlignet med den ekspansion, som opnås,når den ved den førnævnte udførelsesform dannede brændstofgas forbrændes. Til effektiv forbrænding kræves ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen ydermere mindre end 1/10 - h af den mængde overskudsluft, som

Claims (9)

24 1U485 kræves ved en åben cyklus proces, hvor al udstødningsrøggas fra ekspansionsturbinen udledes direkte i atmosfæren. De i forbindelse med den generelle og eksemplificerede beskrivelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen omhandlede særlige sammensætninger for carbonhydridfødematerialer og skrubningsfluida tjener kun til tydeliggørelse og belysning af opfindelsen.

1. Fremgangsmåde til frembringelse af energi ved hjælp af en gasturbine med et forbrændingskammer og en ekspansionsturbine, kendetegnet ved, at man (1) omsætter et carbonhydridbrændsel med en frit oxygenholdig gas ved partiel oxidation i nærværelse af en temperaturmoderator i reaktionszonen af en ikke-katalytisk fristrøms-gasgenerator ved en autogen temperatur i intervallet fra ca. 816 til ca. 1927°C °9 ved et tryk i intervallet fra ca. 10 til ca. 180 ata til dannelse af en afgangsgasstrøm, der omfatter en blanding af H^» CO, CO2 og H2O samt en eller flere bestanddele i form af CH4, COS, ^S og Ar samt partikelformigt carbon, idet molforholdet (CO/H2) i afgangsgassen fra generatoren er mindst 0,30 på tør basis, (2) afkøler afgangsgassen fra (1) og indfører den afkølede gas i en gasrensningszone og derfra særskilt opnår følgende strømme: (A) en strøm af ren brændstofgas omfattende en blanding af og CO, som også indeholder en eller flere bestanddele i form af Nj, CH^, CO2 og HjO; (B) en C02~rig gasstrøm? (C) en opslæmningsstrøm omfattende partikelformigt carbon i et flydende bæremiddel; samt (D) en på I^S og COS rig gasstrøm, (3) indfører og forbrænder den rene brændstofgasstrøm fra (2) i en gasturbines forbrændingskammer med en gasformig oxiderende strøm, der er dannet på et senere trin i processen, til dannelse af en strøm af ren røggas, og (4) anvender strømmen af ren røggas fra (3) som arbejdsmedium, der ledes igennem en ekspansionsturbine til frembringelse af energi under udvikling af ren udstødningsrøggas, hvoraf i det mindste en del blandes med en frit oxygenholdig gas til dannelse af den gas-formige oxiderende strøm under (3).

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at temperaturmoderatoren består af mindst en del af den CC^-rige strøm fra trin (2), mindst en del af udstødningsgassen fra trin (4), vand eller blandinger deraf. 144485 25

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at den gasformige oxiderende strøm forvarmes ved indirekte varmeveksling med mindst en del af udstødningsrøggassen, der forlader ekspansionsturbinen i trin (4), før i det mindste en del af den gasformige oxiderende strøm indføres i forbrændingskammeret i trin (3).

4. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at den rene brændstofgas forvarmes før forbrænding under trin (3) ved indirekte varmeveksling med en del af den fra trin (4) stammende rene røggas, som samtidig afkø les.

5. Fremgangsmåde ifølge krav 3 eller 4, kendetegnet ved, at den efter varmevekslingstrinnene afkølede rene udstødningsrøggas udledes i atmosfæren via en energifrembringende ekspansionsturbine .

6. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at afgangsgasstrømmen fra trin (1) efter afkøling ved et tryk, som i alt væsentligt svarer til gasgeneratortrykket, bortset fra sædvanligt ledningstrykfald, ledes igennem en ekspansionsturbine, der befinder sig på tilgangssiden af gasturbinens forbrændingskammer .

7. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at en del af den CC^-rige gasstrøm fra trin (2) blandes med afgangsgasstrømmen fra trin (1), og at blandingen underkastes en ikke-katalytisk omvendt termisk vand-gas-konvertering til forøgelse af molforholdet (CO/H2) i brændstofgasstrømmen til en værdi, som ligger over 0,3.

8. Fremgangsmåde ifølge krav 7,kendetegnet ved, at den CC^-rige gasstrøm fra trin (2) komprimeres til et tryk, der ligger over trykket i gasgeneratoren i trin (1), ved hjælp af en kompressor, der drives af ekspansionsturbinen i trin (4), og at temperaturen ved vand-gas-konverteringen holdes på mindst 816°C, samt at CO/H2-molforholdet forøges til en værdi (tør basis) i intervallet fra over 0,3 til 6,0.

9. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at afkølingen af afgangsgassen fra trin (1) sker ved indirekte varmeveksling med vand under dannelse af damp, og at en del af dampen overhedes ved indirekte varmeveksling med udstødnings-