EP2510199A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbrennung kohlenstoffhaltiger stoffe - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur verbrennung kohlenstoffhaltiger stoffe

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EP2510199A1
EP2510199A1 EP10787030A EP10787030A EP2510199A1 EP 2510199 A1 EP2510199 A1 EP 2510199A1 EP 10787030 A EP10787030 A EP 10787030A EP 10787030 A EP10787030 A EP 10787030A EP 2510199 A1 EP2510199 A1 EP 2510199A1
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EP
European Patent Office
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combustion
gas
combustion step
oxidation device
oxidation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10787030A
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English (en)
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Inventor
Hanno Tautz
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/02—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment
    • F23G5/027—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment pyrolising or gasifying stage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2201/00—Pretreatment
    • F23G2201/40—Gasification
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2206/00—Waste heat recuperation
    • F23G2206/20—Waste heat recuperation using the heat in association with another installation
    • F23G2206/203—Waste heat recuperation using the heat in association with another installation with a power/heat generating installation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases
    • F28D21/001—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases for thermal power plants or industrial processes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/12—Heat utilisation in combustion or incineration of waste

Definitions

  • the invention relates to a method for combustion of a carbonaceous
  • Feedstock using technically pure oxygen as the oxidant Feedstock using technically pure oxygen as the oxidant.
  • the invention relates to a device for carrying out the method.
  • Boiler house with the water tube boiler housed therein. in case of a
  • the boiler house has a floor area of at least 22x22m 2 a height of at least 120m, since alone the reaction space has a vertical extent of 70-80 m.
  • Object of the present invention is therefore to provide a method of the type described above and an apparatus for its implementation, by which the disadvantages of the prior art are overcome.
  • the object is procedurally achieved according to the invention in that the combustion is carried out in at least two steps, wherein in one
  • Combustion step produced product gas cooled and in another
  • Combustion step is used as fuel. So that the product gas produced in one combustion step in another
  • Combustion step can be used as a fuel, it is necessary that the product gas contains oxidizable substances. This is achieved by the
  • Product gas at substoichiometric conditions i. is produced with an amount of oxygen which is insufficient to completely oxidize all oxidizable constituents.
  • Combustion used an amount of oxygen that is large enough to completely convert the oxidizable substances present in the feedstock in the gas phase, these substances are not completely or at least partially oxidized, however.
  • a coolant can be introduced into the reaction space, which absorbs a portion of the energy released during the oxidation.
  • the amount of coolant which is preferably water and / or carbon dioxide, is such that the maximum allowable
  • the amount of coolant here is between 0 and 150%, preferably between 0 and 100% and particularly preferably between 0 and 50% of the amount of the carbonaceous starting material.
  • the first combustion step is carried out with the supply of a coolant, wherein in the following combustion step or the subsequent combustion steps of the supplied fuel is reacted exclusively with technically pure oxygen.
  • Combustion temperatures are determined primarily by the amount of technically pure oxygen, which is such that the maximum allowable temperatures in the respective reaction space or in the downstream of the
  • Combustion step produced product gas is cooled and divided into at least two partial streams, wherein one of the partial streams is fed as fuel in the next combustion step, while the other or the part streams as
  • the inventive method is for the combustion of a variety
  • carbonaceous feedstocks suitable are carbonaceous feedstocks suitable.
  • a carbonaceous feed is burned, the coal and / or oil and / or natural gas and / or biomass and / or carbonaceous waste and / or residues.
  • the last combustion step is carried out so that the oxidizable substances contained in the fuel used are completely oxidized.
  • the resulting product gas is thus a flue gas consisting essentially of carbon dioxide and water.
  • Sequestration is supplied.
  • Preferred embodiments of the method according to the invention provide that product gas produced in a combustion step is cooled in indirect heat exchange with water and / or steam or thermal oil or cooling gas.
  • a further preferred embodiment of the method according to the invention provides that a combustion step is carried out at a pressure which is higher than the atmospheric pressure. If the flue gas generated in the last combustion step is obtained at a pressure above atmospheric pressure, an embodiment of the method according to the invention provides that the flue gas is expanded in a wet steam turbine in order to produce electric current. In the flue gas contained water is partially condensed during the relaxation.
  • the invention relates to a device for combustion of a
  • Feeders for the carbonaceous feed and a
  • the object is achieved device-side according to the invention in that they have at least two oxidation devices, each with associated
  • Heat exchangers wherein produced in an oxidation device and in Product gas cooled downstream of an associated heat exchanger can be introduced downstream as fuel into another oxidation device.
  • an oxidizing device comprises at least one fuel supply device and at least one oxidant supply device and one or more reaction chambers, in or in which one
  • Oxidation reaction is feasible.
  • the walls of a reaction space are made of refractory material and / or they are designed as heat exchangers, can be removed via the heat from the reaction space and transferred to a heat transfer medium.
  • the oxidation device is designed as a tube, via one end of which fuel can be removed and via the other end of which product gas can be removed.
  • a reaction space is designed as a heat exchanger passage.
  • a particularly preferred embodiment of the device according to the invention provides that the first oxidation device in the flow direction with a
  • Feeding device is equipped, via the coal and / or oil and / or natural gas and / or biomass and / or carbonaceous waste and residual materials as feeds are fed to a reaction space.
  • gaseous fuel which consists of or comprises a synthesis gas produced in an upstream oxidation means.
  • each oxidation device has at least one supply device, via which technically pure oxygen can be introduced as an oxidizing agent into a reaction chamber.
  • a heat exchanger assigned to an oxidation device is usefully a recuperator.
  • heat carrier it is designed as a water or gas preheater or as an evaporator or superheat exchanger.
  • Heat exchanger surfaces are significantly reduced compared to the prior art. If the invention is used to generate process steam, a portion of the heat of condensation from the exhaust gas can also be used at high pressure to preheat the boiler feedwater. To compress the separated carbon dioxide to a typical discharge pressure less energy is required. Since at most in the first combustion step, a coolant must be supplied, the yield of high-temperature heat is significantly increased, so that with a carbonaceous feed a higher efficiency in the generation of electrical energy can be achieved, as is currently
  • the exemplary embodiment shows the steam generator of a coal power plant, in which the coal used is completely converted in four combustion steps. The resulting heat is used to generate superheated steam, whose energy is converted into electricity.
  • the coolant is preferably carbon monoxide and / or water or water vapor.
  • the coal combustion is carried out stoichiometrically, so that although the gasified gas, but their components are only partially oxidized.
  • the resulting product gas which is actually a synthesis gas, thus consists to a considerable extent of combustible substances, in particular of carbon monoxide.
  • the sizes of the oxygen stream 2 and the coolant stream 3 are such that the coal 1 is completely gasified and at the same time a flue gas can be withdrawn via line 4 at a temperature which, although high, does not cause problems in downstream devices.
  • the hot product gas 4 is in the designed as a superheater heat exchanger E1 against Steam 5 cooled, which is supplied as superheated steam 6 a steam turbine (not shown) for generating electricity.
  • the cooled product gas stream 7 is passed on as fuel gas into the oxidation device B2, in which it is mixed with technically pure oxygen 8, which is also in
  • the resulting product gas 9 is cooled in the heat exchanger E2 against water or steam 10 before it is introduced as fuel gas 11 in the oxidation device B3.
  • technically pure oxygen 12 is supplied in substoichiometric amount, whereby the product gas withdrawn via line 13 also contains oxidizable substances.
  • the product gas 13 is cooled in the heat exchanger E3 against water 1 and fed as fuel 15 of the oxidizer B4, fed into the line 16 via technically pure oxygen in an amount by which the fuel 15 is completely oxidized.
  • the resulting flue gas 17 is cooled in the heat exchanger E4 against fresh water 18. In this case, the dew point of the water contained in the flue gas 17 is reached, which is therefore at least partially condensed and discharged via line 19.
  • Condensation stage which is not shown here, more water can be condensed out, so that the cooled flue gas stream 20 largely consists of carbon dioxide.
  • the cooled flue gas stream 20 is compressed and can be fed via line 21 to a sequestration (not shown). Part 3 of the compressed carbon dioxide can be recycled and used as feedstock in the
  • Combustion chamber B1 are initiated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffes (1) unter Verwendung von technisch reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel (2,8,12,16). Die Verbrennung wird in wenigstens zwei aufeinander folgenden Schritten (B1,B2,B3,B4) durchgeführt, wobei in einem Verbrennungsschritt erzeugtes Produktgas (4,9,13) abgekühlt und im folgenden Verbrennungsschritt als Brennstoff (7,11,15) eingesetzt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung kohlenstoffhaltiger Stoffe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen
Einsatzstoffes unter Verwendung von technisch reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Im Folgenden ist unter technisch reinem Sauerstoff ein Gas bzw. ein Gasgemisch zu verstehen, das einen Sauerstoffgehalt zwischen 90 und 100mol-% aufweist. Technisch reiner Sauerstoff wird in erster Linie durch die Zerlegung von Luft erzeugt. Die auf 100mol% fehlenden Anteile werden daher i. Allg. aus Stickstoff und Argon gebildet.
Ein großer Teil der weltweit benötigten elektrischen Energie wird in Kohlekraftwerken erzeugt. Hierbei wird Kohlestaub gewöhnlich bei geringem Unterdruck mit Luft oder - wie beim sog. Oxyfuel-Verfahren - mit einem aus Sauerstoff und Kohlendioxid gebildeten Oxidationsmittel im Reaktionsraum eines Wasserrohrkessels verbrannt. Die Wände des Reaktionsraums werden von Wärmetauschern gebildet, über die die bei der Verbrennung freigesetzte Wärme weitgehend abgeführt und zur Erzeugung und Überhitzung von Wasserdampf genutzt wird. Der überhitzte Dampf wird schließlich in Dampfturbinen auf verschiedene Druckstufen entspannt, die mit einem Generator verbunden sind.
Ein erheblicher Teil der Investitionskosten derartiger Kraftwerke entfällt auf das
Kesselhaus mit dem darin untergebrachten Wasserrohrkessel. Im Falle eines
Kohlekraftwerkes mit 1000 MW elektrischer Leitung besitzt das Kesselhaus bei einer Grundfläche von wenigstens 22x22m2 eine Höhe von mindestens 120m, da alleine der Reaktionsraum eine vertikale Erstreckung von 70-80 m aufweist.
Wird die Verbrennungsluft bzw. das aus Sauerstoff und Kohlendioxid gebildete
Oxidationsmittel gegen reinen Sauerstoff ausgetauscht, erfolgt der Kohleausbrand wesentlich schneller und auf kleinerem Raum. Aufgrund der hohen, bei der
Verbrennung erreichbaren Temperaturen wäre es auch möglich, die
Wärmetauscherflächen des Kessels zu reduzieren, so dass der Platzbedarf und die Investitionskosten für den Kessel bzw. das Kesselhaus drastisch reduziert werden könnten. Allerdings scheitert die großtechnische Umsetzung dieses Konzeptes daran, dass die maximal zulässigen Temperaturen heute verfügbarer Kesselmaterialien weit überschritten würden.
Die Baugröße des Kessels eines Kohlekraftwerks könnte auch reduziert werden, wenn der Druck angehoben wird, bei dem die Verbrennung abläuft. Es werden zwar
Anstrengungen unternommen, derartige Konzepte in größerem Maßstab umzusetzen. Gegenwärtig befinden sie sich jedoch noch im Versuchsstadium.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art sowie eine Vorrichtung zu dessen Umsetzung anzugeben, durch die die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Die gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Verbrennung in wenigstens zwei Schritten durchgeführt wird, wobei in einem
Verbrennungsschritt erzeugtes Produktgas abgekühlt und in einem anderen
Verbrennungsschritt als Brennstoff eingesetzt wird. Damit das in einem Verbrennungsschritt erzeugte Produktgas in einem anderen
Verbrennungsschritt als Brennstoff eingesetzt werden kann, ist es erforderlich, dass das Produktgas oxidierbare Substanzen enthält. Dies wird erreicht, indem das
Produktgas bei unterstöchiometrischen Bedingungen, d.h. mit einer Sauerstoffmenge erzeugt wird, die nicht ausreichend ist, um sämtliche oxidierbaren Bestandteile vollständig zu oxidieren. Enthält der kohlenstoffhaltige Einsatzstoff feste oder flüssige Bestandteile, wie Kohle und/oder Öl, so wird sinnvollerweise im ersten
Verbrennungsschritt eine Sauerstoffmenge eingesetzt, die groß genug ist, um die im Einsatzstoff vorliegenden oxidierbaren Substanzen vollständig in die Gasphase zu überführen, wobei diese Substanzen gleichzeitig jedoch nicht oder nur zu einem Teil vollständig oxidiert werden.
Um zu vermeiden, dass es im ersten Verbrennungsschritt aufgrund der Überführung sämtlicher im kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff enthaltener oxidierbarer Substanzen in die Gasphase die maximal zulässige Temperatur im Reaktionsraum, in dem die Oxidation durchgeführt wird, oder in stromabwärts des Reaktionsraums angeordneten Einrichtungen überschritten werden, kann ein Kühlmittel in den Reaktionsraum eingebracht werden, das einen Teil der bei der Oxidation freigesetzten Energie aufnimmt. Die Menge des Kühlmittels, bei dem es sich vorzugsweise um Wasser und/oder Kohlendioxid handelt, ist so bemessen, das die maximal zulässigen
Temperaturen nicht überschritten werden. Die Kühlmittelmenge liegt hierbei zwischen 0 und 150%, bevorzugt zwischen 0 und 100% und besonders bevorzugt zwischen 0 und 50% der Menge des kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffes.
Vorzugsweise wird allenfalls der erste Verbrennungsschritt unter Zuführung eines Kühlmittels durchgeführt, wobei in dem folgenden Verbrennungsschritt oder den folgenden Verbrennungsschritten der zugeführte Brennstoff ausschließlich mit technisch reinem Sauerstoff umgesetzt wird. Die sich hierbei einstellenden
Verbrennungstemperaturen werden in erster Linie durch die Menge des technisch reinen Sauerstoffs bestimmt, die so bemessen wird, dass die maximal zulässigen Temperaturen in dem jeweiligen Reaktionsraum oder in stromabwärts des
Reaktionsraumes angeordneten Einrichtungen nicht überschritten werden.
Erfindungsgemäß kann das gesamte, in einem Verbrennungsschritt erzeugte
Produktgas abgekühlt und als Brennstoff im nächst folgenden Verbrennungsschritt eingesetzt werden. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass das in einem
Verbrennungsschritt erzeugte Produktgas abgekühlt und in wenigstens zwei Teilströme aufgeteilt wird, wobei einer der Teilströme als Brennstoff in den nächst folgenden Verbrennungsschritt geführt wird, während der oder die übrigen Teilströme als
Brennstoff in einem oder mehreren weiter stromabwärts angeordneten
Verbrennungsschritten eingesetzt werden.
Falls in einem Verbrennungsschritt ein Produktgas erzeugt wird, das keine
oxidierbaren Stoffe enthält, sieht eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass vorzugsweise vor dessen Ankühlung ein Teil dieses Produktgases abgezweigt und in einem folgenden Verbrennungsschritt als Kühlmittel eingesetzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Verbrennung einer Vielzahl
kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe geeignet. Bevorzugte Ausgestaltungen sehen jedoch vor, dass ein kohlenstoffhaltiger Einsatzstoff verbrannt wird, der Kohle und/oder Öl und/oder Erdgas und/oder Biomasse und/oder kohlenstoffhaltige Abfall- und/oder Reststoffe enthält.
Zweckmäßigerweise wird der letzte Verbrennungsschritt so durchgeführt, dass die im eingesetzten Brennstoff enthaltenen oxidierbaren Stoffe vollständig oxidiert werden. Bei dem dabei entstehenden Produktgas handelt es sich somit um ein Rauchgas, das im Wesentlichen aus Kohlendioxid und Wasser besteht. Durch die Auskondensierung des Wassers kann auf einfache Weise ein Kohlendioxidstrom bei erhöhtem Druck gewonnen werden, der beispielsweise nach einer weiteren Verdichtung einer
Sequestrierung zugeführt wird.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass in einem Verbrennungsschritt erzeugtes Produktgas in indirektem Wärmetausch gegen Wasser und/oder Wasserdampf oder Thermalöl oder Kühlgas abgekühlt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein Verbrennungsschritt bei einem Druck durchgeführt wird, der höher ist als der Atmosphärendruck. Falls das im letzten Verbrennungsschritt erzeugte Rauchgas bei einem oberhalb des Atmosphärendrucks liegenden Druck anfällt, sieht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass das Rauchgas in einer Nassdampfturbine entspannt wird, um elektrischen Strom zu produzieren. Im Rauchgas enthaltenes Wasser wird bei der Entspannung teilweise auskondensiert.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Verbrennung eines
kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffs mit einer Oxidationseinrichtung, die
Zuführungseinrichtungen für den kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff und ein
Oxidationsmittel aufweist, sowie einem Wärmetauscher zur Abkühlung des in der Oxidationseinrichtung erzeugten Produktgases.
Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie wenigstens zwei Oxidationseinrichtungen mit jeweils zugeordneten
Wärmetauschern aufweist, wobei in einer Oxidationseinrichtung erzeugtes und in einem zugeordneten Wärmetauscher abgekühltes Produktgas stromabwärts als Brennstoff in eine andere Oxidationseinrichtung eingeleitet werden kann.
Vorzugsweise umfasst eine Oxidationseinrichtung wenigstens eine Zuführeinrichtung für einen Brennstoff und wenigstens eine Zuführeinrichtung für ein Oxidationsmittel sowie einen oder mehrere Reaktionsräume, in dem oder in denen eine
Oxidationsreaktion durchführbar ist. Die Wände eines Reaktionsraums bestehen aus feuerfestem Material und/oder sie sind als Wärmetauscher ausgebildet, über den Wärme aus dem Reaktionsraum abgeführt und auf einen Wärmeträger übertragen werden kann. Im einfachsten Fall ist die Oxidationseinrichtung als Rohr ausgeführt, über dessen eines Ende Brennstoff zu- und über dessen anderes Ende Produktgas abgeführt werden kann. Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass ein Reaktionsraum als Wärmetauscherpassage ausgeführt ist. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die in Strömungsrichtung erste Oxidationseinrichtung mit einer
Zuführeinrichtung ausgestattet ist, über die Kohle und/oder Öl und/oder Erdgas und/oder Biomasse und/oder kohlenstoffhaltige Abfall- und Reststoffe als Einsatzstoffe einem Reaktionsraum zuführbar sind.
Abgesehen von der in Strömungsrichtung ersten Oxidationseinrichtung, die für die Oxidation von festen und/oder flüssigen kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen vorgesehen sein kann, sind alle übrigen Oxidationseinrichtungen für die Oxidation eines
gasförmigen Brennstoffes, der aus einem in einer stromaufwärts angeordneten Oxidationseinrichtung erzeugten Synthesegas besteht oder ein solches umfasst, ausgelegt.
Besonders bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. sehen vor, dass jede Oxidationseinrichtung wenigstens eine Zuführeinrichtung aufweist, über die technisch reiner Sauerstoff als Oxidationsmittel in eine Reaktionskammer eingeleitet werden kann.
Bei einem einer Oxidationseinrichtung zugeordneten Wärmetauscher handelt es sich sinnvollerweise um einen Rekuperator. In Abhängigkeit des durch den Wärmetauscher führbaren Wärmeträgers ist er als Wasser- oder Gasvorwärmer oder als Verdampfer oder Überhitzungswärmetauscher ausgeführt.
Durch die Erfindung können sowohl das Brennkammervolumen als auch die
Wärmetauscherflächen im Vergleich zum Stand der Technik erheblich reduziert werden. Wird die Erfindung zur Erzeugung von Prozessdampf eingesetzt, kann außerdem ein Teil der Kondensationswärme aus dem Abgas bei hohem Druck zur Vorwärmung des Kesselspeisewassers genutzt werden. Zur Verdichtung des abgetrennten Kohlendioxids auf einen typischen Abgabedruck ist ein geringerer Energieaufwand erforderlich. Da allenfalls im ersten Verbrennungsschritt ein Kühlmittel zugeführt werden muss, ist die Ausbeute an Hochtemperaturwärme deutlich erhöht, so dass mit einem kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff ein höherer Wirkungsgrad bei der Erzeugung elektrischer Energie erzielt werden kann, als dies gegenwärtig
beispielsweise in einem Oxyfuel-Verfahren möglich ist.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Das Ausführungsbeispiel zeigt den Dampferzeuger eines Kohlekraftwerks, in dem die eingesetzte Kohle in vier Verbrennungsschritten vollständig umgesetzt wird. Die entstehende Wärme wird dazu genutzt, um überhitzten Wasserdampf zu erzeugen, dessen Energie in elektrischen Strom umgewandelt wird.
In die erste Oxidationseinrichtung B1 werden Kohlepartikel 1 , technisch reiner
Sauerstoff 2 sowie ein Kühlmittel 3 eingebracht. Bei dem Kühlmittel handelt es sich vorzugsweise um Kohlenmonoxid und/oder um Wasser bzw. Wasserdampf. Die Kohleverbrennung wird unterstöchiometrisch durchgeführt, so dass die Kohle zwar vergast, ihre Bestandteile jedoch nur unvollständig oxidiert werden. Das dabei entstehende Produktgas, bei dem es sich eigentlich um ein Synthesegas handelt, besteht somit zu einem erheblichen Teil aus brennbaren Substanzen, insbesondere aus Kohlenmonoxid. Die Größen des Sauerstoffstroms 2 und des Kühlmittelstroms 3 sind so bemessen, dass die Kohle 1 vollständig vergast wird und gleichzeitig über Leitung 4 ein Rauchgas mit einer Temperatur abgezogen werden kann, die zwar hoch ist, in stromabwärts angeordneten Einrichtungen jedoch nicht zu Problemen führt. Das heiße Produktgas 4 wird in dem als Überhitzer ausgeführten Wärmetauscher E1 gegen Wasserdampf 5 abgekühlt, der als überhitzter Dampf 6 einer Dampfturbine (nicht dargestellt) zur Stromerzeugung zugeführt wird.
Der abgekühlte Produktgasstrom 7 wird als Brenngas in die Oxidationseinrichtung B2 weiter geführt, in der es mit technisch reinem Sauerstoff 8, der ebenfalls in
unterstöchiometrischer Menge zugeführt wird, umgesetzt wird. Das dabei entstehende Produktgas 9 wird im Wärmetauscher E2 gegen Wasser oder Dampf 10 abgekühlt, bevor es als Brenngas 11 in die Oxidationseinrichtung B3 eingeleitet wird. Auch hier wird technisch reiner Sauerstoff 12 in unterstöchiometrischer Menge zugeführt, wodurch das über Leitung 13 abgezogene Produktgas ebenfalls noch oxidierbare Stoffe enthält. Das Produktgas 13 wird im Wärmetauscher E3 gegen Wasser 1 abgekühlt und als Brennstoff 15 der Oxidationseinrichtung B4 zugeleitet, in die über Leitung 16 auch technisch reiner Sauerstoff in einer Menge zugeleitet, durch die der Brennstoff 15 vollständig oxidiert wird. Das dabei entstehende Rauchgas 17 wird im Wärmetauscher E4 gegen Frischwasser 18 abgekühlt. Hierbei wird der Taupunkt des im Rauchgas 17 enthaltenen Wassers unterschritten, das daher zumindest teilweise auskondensiert und über Leitung 19 abgeführt wird. In einer weiteren
Kondensationsstufe, die hier nicht dargestellt ist, kann weiteres Wasser auskondensiert werden, so dass der abgekühlte Rauchgasstrom 20 weitgehend aus Kohlendioxid besteht. Im Verdichter V wird der abgekühlte Rauchgasstrom 20 verdichtet und kann über Leitung 21 einer Sequestrierung (nicht dargestellt) zugeführt werden. Ein Teil 3 des verdichteten Kohlendioxids kann zurückgeführt und als Einsatzstoff in die
Brennkammer B1 eingeleitet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffes (1 ) unter Verwendung von technisch reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel (2,8,12, 16), dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung in wenigstens zwei Schritten (B1 ,B2,B3,B4) durchgeführt wird, wobei in einem Verbrennungsschritt erzeugtes
Produktgas (4,9,13) abgekühlt und in einem anderen Verbrennungsschritt als Brennstoff eingesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein kohlenstoffhaltiger Einsatzstoff (1 ) verbrannt wird, der Kohle und/oder Öl und/oder Erdgas und/oder Biomasse und/oder kohlenstoffhaltige Abfall- und/oder Reststoffe enthält.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der erste Verbrennungsschritt (B1 ) unter Zuführung eines Kühlmittels (3) durchgeführt wird, das Kohlendioxid und/oder Wasser und/oder Wasserdampf umfasst. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der im letzten Verbrennungsschritt (B4) eingesetzte Brennstoff (15) vollständig oxidiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verbrennungsschritt erzeugtes Produktgas (4,9, 13,17) in indirektem
Wärmetausch gegen Wasser und/oder Wasserdampf oder Thermalöl oder
Kühlgas abgekühlt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbrennungsschritt bei einem Druck durchgeführt wird, der höher ist als der Atmosphärendruck. 7. Vorrichtung zur Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffs mit einer Oxidationseinrichtung (B1 ), die Zuführungseinrichtungen für den
kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff (1 ) und ein Oxidationsmittel (2) aufweist, sowie einem Wärmetauscher (E1 ) zur Abkühlung des in der Oxidationseinrichtung erzeugten Produktgases (4), dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens zwei Oxidationseinrichtungen (B1 ,B2,B3,B4) mit jeweils zugeordneten Wärmetauschern (E1 ,E2,E3,E4) aufweist, wobei in einer Oxidationseinrichtung erzeugtes und in einem zugeordneten Wärmetauscher abgekühltes Produktgas stromabwärts als Brennstoff (7,11 ,15) in eine andere Oxidationseinrichtung eingeleitet werden kann.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede
Oxidationseinrichtung (B1 ,B2,B3,B4) eine Einrichtung (2,8,12,16) zur Zuführung technisch reinen Sauerstoffs in einen Reaktionsraum aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Oxidationseinrichtung (B1 ) mit einer Zuführeinrichtung (1) ausgestattet ist, über die Kohle und/oder Öl und/oder Erdgas und/oder Biomasse und/oder kohlenstoffhaltige Abfall- und Reststoffe als Einsatzstoffe in einen Reaktionsraum eingeleitet werden können.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass einer Oxidationseinrichtung zugeordneter Wärmetauscher (E1 ,E2,E3,E4) als Wasser- oder Gasvorwärmer oder als Verdampfer oder
Überhitzungswärmetauscher ausgeführt ist.
EP10787030A 2009-12-11 2010-12-02 Verfahren und vorrichtung zur verbrennung kohlenstoffhaltiger stoffe Withdrawn EP2510199A1 (de)

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