EP2510199A1 - Method and device for combusting carbonaceous materials - Google Patents

Method and device for combusting carbonaceous materials

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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Withdrawn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
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hanno Tautz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP2510199A1 publication Critical patent/EP2510199A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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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.

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a method and to a device for combusting a carbonaceous feedstock (1) using commercial grade oxygen as the oxidising agent (2, 8, 12, 16). The combustion is carried out in at least two consecutive steps (B1, B2, B3, B4), wherein in one combustion step generated product gas (4, 9, 13) is cooled and in the following combustion step said gas is used as fuel (7, 11, 15).

Description

Beschreibung  description
Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennung kohlenstoffhaltiger Stoffe Process and apparatus for burning carbonaceous substances
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen The invention relates to a method for combustion of a carbonaceous
Einsatzstoffes unter Verwendung von technisch reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel. Feedstock using technically pure oxygen as the oxidant.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Furthermore, the invention relates to a device for carrying out the method.
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. In the following, technically pure oxygen is to be understood as meaning a gas or a gas mixture which has an oxygen content of between 90 and 100 mol%. Technically pure oxygen is generated primarily by the decomposition of air. The missing to 100mol% shares are therefore i. Gen. formed from nitrogen and argon.
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. Much of the world's electrical energy is produced in coal-fired power plants. This coal dust is usually at low vacuum with air or - as in the so-called. Oxyfuel process - burned with an oxidizing agent formed from oxygen and carbon dioxide in the reaction chamber of a water tube boiler. The walls of the reaction space are formed by heat exchangers, through which the heat released during combustion is largely dissipated and used to generate and overheat water vapor. The superheated steam is finally expanded in steam turbines to different pressure levels, which are connected to a generator.
Ein erheblicher Teil der Investitionskosten derartiger Kraftwerke entfällt auf das A significant part of the investment costs of such power plants is attributable to the
Kesselhaus mit dem darin untergebrachten Wasserrohrkessel. Im Falle eines Boiler house with the water tube boiler housed therein. in case of a
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. Coal-fired power plant with 1000 MW electrical line, 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.
Wird die Verbrennungsluft bzw. das aus Sauerstoff und Kohlendioxid gebildete If the combustion air or that formed from oxygen and carbon dioxide
Oxidationsmittel gegen reinen Sauerstoff ausgetauscht, erfolgt der Kohleausbrand wesentlich schneller und auf kleinerem Raum. Aufgrund der hohen, bei der Exchange of oxidant for pure oxygen, coal burning is much faster and in a smaller space. Due to the high, at the
Verbrennung erreichbaren Temperaturen wäre es auch möglich, die Burnable temperatures would also be possible, the
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. To reduce heat exchanger surfaces of the boiler, so that the space requirements and the Investment costs for the boiler or the boiler house could be drastically reduced. However, the large-scale implementation of this concept fails because the maximum permissible temperatures of today available boiler materials would be far exceeded.
Die Baugröße des Kessels eines Kohlekraftwerks könnte auch reduziert werden, wenn der Druck angehoben wird, bei dem die Verbrennung abläuft. Es werden zwar The size of the boiler of a coal-fired power plant could also be reduced by increasing the pressure at which combustion takes place. It will indeed
Anstrengungen unternommen, derartige Konzepte in größerem Maßstab umzusetzen. Gegenwärtig befinden sie sich jedoch noch im Versuchsstadium. Efforts are made to implement such concepts on a larger scale. At present, however, they are still in the experimental stage.
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 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
Verbrennungsschritt erzeugtes Produktgas abgekühlt und in einem anderen Combustion step produced product gas cooled and in another
Verbrennungsschritt als Brennstoff eingesetzt wird. Damit das in einem Verbrennungsschritt erzeugte Produktgas in einem anderenCombustion step is used as fuel. So that the product gas produced in one combustion step in another
Verbrennungsschritt als Brennstoff eingesetzt werden kann, ist es erforderlich, dass das Produktgas oxidierbare Substanzen enthält. Dies wird erreicht, indem das Combustion step can be used as a fuel, it is necessary that the product gas contains oxidizable substances. This is achieved by the
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 Product gas at substoichiometric conditions, i. is produced with an amount of oxygen which is insufficient to completely oxidize all oxidizable constituents. Contains the carbonaceous feed solid or liquid ingredients, such as coal and / or oil, so it makes sense in the first
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. 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.
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 In order to avoid that in the first combustion step due to the conversion of all contained in the carbonaceous feed oxidizable substances in the gas phase, the maximum allowable temperature in the reaction chamber in which the oxidation is carried out, or arranged in the downstream of the reaction space Facilities are exceeded, 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
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. Temperatures should not be exceeded. 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.
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 Preferably, at most 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. The hereby adjusting
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 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
Reaktionsraumes angeordneten Einrichtungen nicht überschritten werden. Reaction space arranged facilities are not exceeded.
Erfindungsgemäß kann das gesamte, in einem Verbrennungsschritt erzeugte According to the invention, the entire generated in a combustion step
Produktgas abgekühlt und als Brennstoff im nächst folgenden Verbrennungsschritt eingesetzt werden. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass das in einem Product gas is cooled and used as fuel in the next combustion step. However, it is also conceivable that in one
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  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
Brennstoff in einem oder mehreren weiter stromabwärts angeordneten Fuel in one or more downstream arranged
Verbrennungsschritten eingesetzt werden. Combustion steps are used.
Falls in einem Verbrennungsschritt ein Produktgas erzeugt wird, das keine If a product gas is generated in a combustion step, the no
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. contains oxidizable substances, provides a variant of the method according to the invention that preferably before its cooling, a portion of this product gas is branched off and used in a subsequent combustion step as a coolant.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Verbrennung einer Vielzahl The inventive method is for the combustion of a variety
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. carbonaceous feedstocks suitable. However, preferred embodiments provide that a carbonaceous feed is burned, the coal and / or oil and / or natural gas and / or biomass and / or carbonaceous waste and / or residues.
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 Conveniently, 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. By condensing the water can be obtained at elevated pressure in a simple manner, a carbon dioxide stream, for example, after further compression of a
Sequestrierung zugeführt wird. Sequestration is supplied.
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. 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.
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. 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.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Verbrennung eines Furthermore, the invention relates to a device for combustion of a
kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffs mit einer Oxidationseinrichtung, die carbonaceous feedstock with an oxidizer which
Zuführungseinrichtungen für den kohlenstoffhaltigen Einsatzstoff und ein Feeders for the carbonaceous feed and a
Oxidationsmittel aufweist, sowie einem Wärmetauscher zur Abkühlung des in der Oxidationseinrichtung erzeugten Produktgases. Having oxidizing agent, and a heat exchanger for cooling the product gas generated in the oxidation device.
Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie wenigstens zwei Oxidationseinrichtungen mit jeweils zugeordneten The object is achieved device-side according to the invention in that they have at least two oxidation devices, each with associated
Wärmetauschern aufweist, wobei in einer Oxidationseinrichtung erzeugtes und in einem zugeordneten Wärmetauscher abgekühltes Produktgas stromabwärts als Brennstoff in eine andere Oxidationseinrichtung eingeleitet werden kann. 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.
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 Preferably, 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
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 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. In the simplest case, 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 variant of the invention provides that 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
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. 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.
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 Apart from the first oxidation device in the flow direction, which can be provided for the oxidation of solid and / or liquid carbonaceous feedstocks, all other oxidation devices for the oxidation of a
gasförmigen Brennstoffes, der aus einem in einer stromaufwärts angeordneten Oxidationseinrichtung erzeugten Synthesegas besteht oder ein solches umfasst, ausgelegt. gaseous fuel which consists of or comprises a synthesis gas produced in an upstream oxidation means.
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. Particularly preferred embodiments of the device according to the invention. provide that 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.
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. A heat exchanger assigned to an oxidation device is usefully a recuperator. Depending on the heat exchanger feasible heat carrier it is designed as a water or gas preheater or as an evaporator or superheat exchanger.
Durch die Erfindung können sowohl das Brennkammervolumen als auch die By the invention, both the combustion chamber volume and the
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 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
beispielsweise in einem Oxyfuel-Verfahren möglich ist. For example, in an oxyfuel process is possible.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In the following, the invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment shown schematically in FIG.
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. 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.
In die erste Oxidationseinrichtung B1 werden Kohlepartikel 1 , technisch reiner In the first oxidation device B1 carbon particles 1, technically pure
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. Oxygen 2 and a coolant 3 introduced. 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.
Der abgekühlte Produktgasstrom 7 wird als Brenngas in die Oxidationseinrichtung B2 weiter geführt, in der es mit technisch reinem Sauerstoff 8, der ebenfalls in 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
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 substoichiometric amount is supplied, is reacted. 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. Again, 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. In another
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 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. In the compressor V, 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
Brennkammer B1 eingeleitet werden. Combustion chamber B1 are initiated.

Claims

Patentansprüche claims
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 erzeugtes1. A method for combustion of a carbonaceous feedstock (1) using technically pure oxygen as the oxidant (2,8,12, 16), characterized in that the combustion in at least two steps (B1, B2, B3, B4) is performed , wherein generated in a combustion step
Produktgas (4,9,13) abgekühlt und in einem anderen Verbrennungsschritt als Brennstoff eingesetzt wird. Product gas (4,9,13) is cooled and used as fuel in another combustion step.
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. 2. The method according to claim 1, characterized in that a carbonaceous feedstock (1) is burned containing coal and / or oil and / or natural gas and / or biomass and / or carbonaceous waste and / or residues.
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. 3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that at least the first combustion step (B1) is carried out under supply of a coolant (3) comprising carbon dioxide and / or water and / or water vapor. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the fuel used in the last combustion step (B4) (15) is completely oxidized.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verbrennungsschritt erzeugtes Produktgas (4,9, 13,17) in indirektem 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that in a combustion step produced product gas (4,9, 13,17) in indirect
Wärmetausch gegen Wasser und/oder Wasserdampf oder Thermalöl oder Heat exchange against water and / or water vapor or thermal oil or
Kühlgas abgekühlt wird. Cooling gas is cooled.
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 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a combustion step is carried out at a pressure which is higher than the atmospheric pressure. 7. A device for combustion of a carbonaceous feedstock with an oxidation device (B1), the supply means for the
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. carbonaceous feedstock (1) and an oxidant (2), and a heat exchanger (E1) for cooling the in the oxidation device produced product gas (4), characterized in that it comprises at least two oxidation devices (B1, B2, B3, B4) each having associated heat exchangers (E1, E2, E3, E4), wherein produced in an oxidation device and cooled in an associated heat exchanger product gas downstream as fuel (7,11, 15) can be introduced into another oxidation device.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede 8. Apparatus according to claim 7, characterized in that each
Oxidationseinrichtung (B1 ,B2,B3,B4) eine Einrichtung (2,8,12,16) zur Zuführung technisch reinen Sauerstoffs in einen Reaktionsraum aufweist.  Oxidation device (B1, B2, B3, B4) comprises means (2,8,12,16) for supplying technically pure oxygen in a reaction space.
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. Device according to one of claims 7 or 8, characterized in that the first oxidation device (B1) is equipped with a feed device (1) via the coal and / or oil and / or natural gas and / or biomass and / or carbonaceous waste and Residues can be introduced as feedstocks in a reaction space.
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 10. Device according to one of claims 7 to 9, characterized in that an oxidation device associated heat exchanger (E1, E2, E3, E4) as a water or gas preheater or as an evaporator or
Überhitzungswärmetauscher ausgeführt ist.  Overheating heat exchanger is executed.
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