NL9401387A - Werkwijze voor het koelen van een hete gasstroom, voor het verhogen van het rendement van de elektriciteitsproduktie, alsmede voor het reguleren van het koelproces van een synthesegasstroom, zodanig dat pieken in de elektriciteitsvraag kunnen worden opgevangen. - Google Patents

Description

Titel: Werkwijze voor het koelen van een hete gasstroom, voor het verhogen van het rendanent van de elektriciteits-produktie, alsmede voor het reguleren van het koelproces van een synthesegasstroam, zodanig dat pieken in de elektriciteitsvraag kunnen worden opgevangen.

De uitvinding hee£t betrekking pp een werkwijze voor het koelen, in het bijzonder voor het koelen door middel van het laten optreden van een endotherme chemische reactie {"chemisch koelen"), van een hete gasstroom en in het bij zonder een synthesegasstroom, op een werkwijze voor het verhogen van het rendement van het elektriciteitsprodukt onder toepassing van een synthesegasstroom, alsmede op een werkwijze voor het reguleren van het koelproces van een synthesegasstroom op zodanige wijze dat pieken in de elektriciteitsvraag kunnen worden opgevangen.

Het is algemeen bekend, dat elektriciteit met verschillende hulpbronnen kan worden opgewekt. Met name worden de fossiele brandstoffen olie, gas en kolen voor de elektrici-teitsproduktie op grote schaal toegepast. Deze fossiele brandstoffen worden verbrand voor het aandrijven van gasturbines, eventueel in combinatie met stoomturbines. De onderhavige uitvinding heeft betrekking op processen waarbij fossiele brandstoffen, doch ook andere hete brandbare gassen, kunnen worden aangewend.

Van de fossiele brandstoffen heeft de toepassing van aardgas voor het genereren van elektriciteit gewoonlijk de voorkeur. Aardgas brandt efficiënt in die zin dat het overall rendement voor de omzetting van aardgas in elektriciteit (rendement ongeveer 55% pp stookwaardébasis) hoger is dan het overall rendement voor de omzetting van andere fossiele brandstoffen naar elektriciteit (rendement voor kolen ongeveer 43% op stookwaardébasis). - De stookwaarde is de calorische onderwaarde ofwel Lower Heating Value van de gasvoxmige brandstofstroom naar het gas /stoomturbine- systeem. - Bovendien produceert aardgas daarbij de minste hoeveelheid CO2 per opgewekt kWh elektrisch vermogen. Voorts leidt de toepassing van aardgas in tegenstelling tot de toepassing van kolen niet tot de vorming van grote hoeveelheden vliegas. Een nadeel van aardgas is echter zijn onzekere beschikbaarheid tegen relatief lage kosten op lange(re) termijn. Wat deze aspecten betreft -lage kostprijs en beschikbaarheid op lange termijn - vormen kolen een geschikt alternatief. Directe toepassing van (poeder)kolen voor het produceren van elektriciteit leidt echter tot grote hoeveelheden kooldioxide en as.

De laatste jaren wordt een grote interesse merkbaar voor processen waarbij kolen, andere zware fossiele brandstoffen en andere koolstofhoudende grondstoffen niet zonder meer worden verbrand, doch eerst worden vergast. Het vergassen van de zware c.q. zwaardere al dan niet koolstofhoudende brandstoffen koppelt de voordelen van het toepassen van aardgas aan een groot arsenaal beschikbare en relatief goedkope uitgangsstoffen. Bovendien hebben kolen- of olievergassing, waarbij stookgas wordt geproduceerd, een voordeel bij de gasreiniging ten opzichte van kolen- en olieverbranding waarbij alleen rookgas wordt gevormd. Meer in het bijzonder wordt bij vergassing in de voorgeschakelde vergasser stookgas of brandstofgas gevormd; dit in tegenstelling tot poederkool-centrales waar de vaste poederkool als brandstof dient. Aangezien het stookgas op hoge druk wordt geproduceerd is reiniging hiervan eenvoudiger dan de reiniging van rookgas van lage druk. Door de hogere druk van stookgas ten opzichte van het rookgas kan bij de stookgasreiniging met kleinere apparatuur worden volstaan. Bij de stookgasreiniging kunnen bovendien de zwavelcomponenten in de vorm van waterstofsulfide als elementaire zwavel worden verwijderd met een zwavel-terugwinningspercentage van 97-99%, terwijl bij rookgasreiniging zwavel component en voornamelijk in de vorm van zwaveldioxide als gips moeten worden verwijderd met een terugwinningspercentage van slechts 85-90%. Toepassing van de vergassingstechnologie leidt, in vergelijking met de verbrandingstechnologie, bovendien tot een lagere ΝΟχ- en vliegasemissie.

Vergassingsinstallaties omvatten in het algemeen een vergassingseenheid, een koelsectie, een gasreinigingssectie en gas- en/of stoomturbines.

In een vergassingseenheid wordt de fossiele brandstof met zuurstof dan wel een zuurstofhoudend gas partieel geoxideerd.

Vergassen van kolen, olie, kraakresiduen, residuen die resteren na hydroconversie van atmosferische residuen en vacuümresiduen etc. leidt tot de vorming van zogenaamd synthesegas. Dit synthesegas omvat, afhankelijk van het uitgangsmateriaal, een complex mengsel van waterstof, koolmonoxide, kooldioxide, stoom, stikstof, stikstofoxiden, waterstofsulfide en andere verbindingen gevormd uit de bestanddelen van het uitgangsmateriaal. Een voorbeeld van een vergassingsproces voor zware koolwaterstoffen is beschreven in de Europese octrooiaanvrage 0 497 425 (Shell); voor een voorbeeld van een kolenvergassingsproces wordt verwezen naar de Europese octrooiaanvrage 0 423 401 (The Dow Chemical Company), op welke aanvrage in het onderstaande zal worden teruggekomen.

Vergassing geschiedt bij een relatief hoge temperatuur. Olie(residu)-vergassing vindt typisch plaats bij een temperatuur van 800-l500°C. Kolen worden gebruikelijk bij zelfs nog hogere temperaturen van 1300-1650°C vergast tot synthesegas.

Vanuit de vergassingszone wordt het gevormde synthesegas naar een koelsectie geleid. Deze koelsectie omvat bijvoorbeeld een synthesegaskoeler (syngaskoeler). De syngaskoeler is in feite een conventionele convectieve warmtéboiler, een standaardwarmtewisselaar. Het synthesegas wordt aan de top van deze koeler ingevoerd en stroomt van boven naar beneden.

Warmte wordt uitgewisseld met het water in de boiler, waarbij stoom wordt gegenereerd. De tot dusver toegepaste syngas-koelers werken gebruikelijk bij een temperatuur van maximaal "slechts" circa 900°C. Deze temperatuur wordt in essentie bepaald door de aanwezigheid van vliegas in de hete gasfase.

Meer specifiek is in het hete synthesegas een aanzienlijke hoeveelheid vliegasdeeltjes aanwezig. Het komt voor dat ongeveer de helft van de totale ashoeveelheid die wordt gevormd bij de vergassing van kolen, in de vorm van vliegas in het hete synthesegas terechtkomt. Bij de bekende vergassingsinstallaties wordt as tot boven haar smeltpunt verhit. De vliegasdeeltjes die zo ontstaan moeten uit het synthesegas worden verwijderd of in de vaste toestand worden gebracht alvorens het synthesegas de syngaskoeler bereikt; dit ter vermijding van het ontstaan van verstoppingen of andere door afzetting van vast vliegas in de koeler veroorzaakte ongemakken, zoals een vertraagde of onvoldoende warmteoverdracht tussen het te koelen gas en het koelmedium. Een geschikte wijze van verwijderen van vliegas is het snel afkoelen van het synthesegas tot onder het smeltpunt van de vliegas, hetgeen in de praktijk inhoudt dat snel moet worden gekoeld tot ± 900°C. Op deze wijze worden de asdeeltjes niet plakkerig, zodat het vervuilingsgedrag van de pijpoppervlakken in de syngaskoeler beheersbaar is. Overigens worden de vaste vliegasdeeltjes pas na de koelsectie uit het synthesegas verwijderd.

Een en einder houdt in dat het synthesegas dat uit de vergassingszone afkomstig is in feite te heet is om aan de syngaskoeler te worden toegevoerd. Een voorkoelstap is noodzakelijk.

De afkoeling van het hete gas gebeurt vrijwel steeds in twee stappen. De eerste stap, waarbij van bijvoorbeeld 1600°C tot 900°C wordt gekoeld kan worden uitgevoerd door te quenchen met reeds afgékoeld synthesegas of water of door afkoelen met een stralingskoeler. Omdat een stralingskoeler een zeer kostbare inrichting is vanwege de zeer hoge vereisten die aan constructie en materiaal worden gesteld, wordt over het algemeen gekoeld door terugvoeren van reeds afgekoeld synthesegas of water. Wanneer met water wordt gekoeld bevat het resulterende gas zeer veel waterdamp.

De tweede koelstap zal worden uitgevoerd met de reeds genoemde syngaskoeler.

In de 250 MWe kolenvergassingsinstallatie in Buggenum, Nederland - momenteel 's-werelds grootste geïntegreerde kolenvergasser - wordt de voorkoelstap uitgevoerd door het hete synthesegas dat een temperatuur van 1500-1650°C bezit te koelen of te quenchen met synthesegas dat de syngaskoeler reeds is gepasseerd en dat een temperatuur heeft van ongeveer 250°C. Door in dit geval heet en gekoeld synthesegas in een verhouding van ongeveer 1:1 bijeen te brengen wordt een synthesegasstroom, met een temperatuur van ongeveer 900°C verkregen. In dit verband kan worden verwezen naar het artikel van Irwin Stambler, Demkolec 250-MW IGCC sparks gasification projects in Europe, Gas Turbine World: January-February 1993, pages 9-14.

De zojuist besproken koelstap met afgekoeld synthesegas heeft een aantal nadelen, waarvan de belangrijkste thans kort worden besproken.

In de eerste plaats vereist het recirculeren van afgekoeld synthesegas een aantal mechanische aanpassingen. Zo is een relatief grote recirculatiecompressor benodigd om het afgekoelde synthesegas terug te voeren in de hete gasstroom voordat deze de syngaskoeler bereikt. Een andere, zeer belangrijke mechanische aanpassing hangt samen met het feit dat een ongeveer tweemaal zo groot volume gas de synthesegas-koeler moet passeren dan het geproduceerde volume synthesegas. Immers zowel het hete synthesegas als de daaraan toegevoegde hoeveelheid afgekoeld synthesegas moeten in de syngaskoeler worden gekoeld. Er is derhalve een voor de - door vergassing geproduceerde - synthesegasstroom relatief grote syngaskoeler met een relatief hoge duty vereist.

Bij het afkoelen van het hete synthesegas met afgekoeld synthesegas dat wordt gerecirculeerd treedt een aanzienlijk verlies op in het beschikbare arbeidspotentieel van de gezamenlijke gasstromen, hetgeen door de deskundige wordt aangeduid als exergieverlies.

Zoals reeds opgemerkt, kan de koelsectie ook worden gevormd door een "radiant heat water tube boiler" in combinatie met een convectieve koeler. Een dergelijke koel-inrichting wordt toegepast in de kolenvergassingsinstallatie van Texaco en wordt beschreven in de brochure "Technology available for licence from Texaco", Texaco Development Corporation, Artwork & Printing: Image Services, Texaco Inc. Harrison, NY (1989). Vanwege de hoge invoertemperatuur worden aan zowel de constructie als de materialen van een radiant heat water tube boiler zeer hoge eisen gesteld. Er bestaat derhalve behoefte aan een aanzienlijk minder gecompliceerde en minder kostbare koelsectie.

De voomoemde problemen worden opgelost, althans sterk verminderd, door toepassing van de werkwijzen volgens de uitvinding.

Volgens de uitvinding wordt een heet gas, in het bijzonder heet synthesegas, gekoeld door gebruik te maken van een endotherme reactie. In de hete (synthese-)gasstroom wordt een relatief kleine hoeveelheid van een gasvormige koolwaterstof en eventueel water (bij voorkeur in de vorm van stoom) en/of kooldioxide geïnjecteerd. De gasvormige koolwaterstof zal bij de omstandigheden die heersen in het hete synthesegas snel met het water (zie reactie l) en/of het kooldioxide (zie reactie 2) reageren tot in hoofdzaak koolmonoxide en waterstofgas. in feite is. de reactie tussen de koolwaterstof en kooldioxide samengesteld uit de zogenaamde "shiftreactie" (zie reactie 3) en de reactie tussen koolwaterstof en water (reactie l) (1) (2) (3)

Deze reacties zijn sterk endotherm, waardoor de temperatuur van het synthesegas, afhankelijk van de ingebrachte hoeveelheid koolwaterstof en eventueel stoom en/of kooldioxide, sterk zal dalen. Volledigheidshalve wordt opgemerkt dat tevens een deel (soms zelfs 40%) van de warmte van het hete gas wordt gébruikt om de direct geïnjecteerde reactanten op te warmen tot de reactietemperatuur.

Meer in het bijzonder betreft de uitvinding een werkwijze voor het chemisch koelen van een hete gasstroom, in het bijzonder een hete synthesegasstroom, met een temperatuur boven 900°C, waarbij een gasvormige koolwaterstof, en eventueel water en/of kooldioxide, direct in de hete gasstroom wordt gevoerd.

In een tweede aspect betreft de uitvinding een werkwijze voor het verhogen van het rendement van de elektriciteits-produktie onder toepassing van een synthesegasstroom uit een vergassingsinrichting, waarbij een gasvormige koolwaterstof, en eventueel water en/of kooldioxide, direct in de synthesegasstroom wordt gevoerd, alvorens de produktstroom wordt toegevoerd aan elektriciteitgenererende inrichtingen.

De werkwijze volgens de uitvinding is vooral voordelig voor het chemisch koelen van synthesegas dat is geproduceerd door het vergassen van kolen of olie(residuen). Dit gas heeft een temperatuur van ongeveer 1000-1650°C bij een druk tussen ongeveer 25 en 70 bara.

Injectie van kleine hoeveelheden stoom of kooldioxide naast de koolwaterstofstroom is alleen nodig voor het uit-voeren van de werkwijze volgens de uitvinding, indien het te koelen gas onvoldoende van (een van) beide verbindingen bevat om in de endotherme reactie voldoende warmte te consumeren.

Wanneer slechts weinig water en/of kooldioxide in het te koelen gas aanwezig is/zijn heeft de injectie van alleen een gasvormige koolwaterstof slechts een beperkt chemisch effect. Hoewel de rendementsstijging in deze opzet beperkt is, ontstaat een voordeel in de gasreinigingssectie door vermindering van de CO2-co-adsorptie.

Wanneer relatief veel kooldioxide en stoom in het hete gas aanwezig zijn is slechts injectie van een gasvormige koolwaterstof nodig can de endotherme reacties te laten verlopen. Het resulterende synthesegas bevat in dit geval nog steeds aanzienlijke hoeveelheden CO2 en H2O. Door de geringe hoeveelheid te injecteren gas, wordt in dit geval de achterliggende gasreinigingssectie slechts weinig extra belast.

Indien het hete gas door de chemisch reactie alleen, afhankelijk van de betreffende procesomstandigheden, niet voldoende wordt gekoeld, kan verder worden gekoeld door een fysische koeling door ofwel recirculatie van in de koelsectie afgekoeld gas ofwel door directe injectie van extra gasvormig koolwaterstof en/of water en/of kooldioxide. Aangezien extra water een negatief effect heeft op het rendement en aangezien extra kooldioxide een verarming van het synthesegasmengsel geeft, wordt bij voorkeur alleen extra koolwaterstof geïnjecteerd. Op de zojuist beschreven wijze ontstaat een koelwerk-wijze in twee gedeelten waarbij voor in eerste instantie een chemische quench en in tweede instantie een fysische quench wordt uitgevoerd.

De samenstelling van het hete gas heeft relatief weinig invloed op het effect van de volgens de werkwijze van de uitvinding uit te voeren endotherme reactie. De temperatuurdaling is een gevolg van de afvoer van voelbare warmte. Bij de temperaturen van het hete gas zijn de warmtecapaciteiten van de verschillende hete (synthese-)gascomponenten ongeveer gelijk. Slechts de aanwezigheid van waterdamp en kooldioxide in de hete gasstroom beïnvloeden de procesvoering in enige mate, omdat deze gassen deelnemen in de endotherme, koelende reactie.

Elektriciteit wordt in een vergassingsinstallatie opgewekt met de stoom die wordt gegenereerd in de syngaskoeler en - voor het grootste deel - in de gas- en/of stoomturbines.

In de syngaskoeler wordt stoom gegenereerd. Deze stoom kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken met een energetisch rendement van ongeveer 40%.

Het in de syngaskoeler afgekoelde gas wordt, na eventuele gebruikelijke gasbehandelingsstappen, zoals vastestofafscheiding, wassen, ontzwavelen etc., verbrand in een gasturbine, waarbij elektriciteit wordt opgewekt. Een attractieve methode voor het opwekken van elektriciteit maakt gebruik van een combinatie van de zojuist genoemde gasturbine en een stoomturbine: de zogenaamde STEG-eenheid. In een dergelijke STEG-eenheid wordt het gasmengsel verbrand. Hierbij laat men vervolgens de verbrandingsgassen expanderen in de gasturbine, waarbij elektriciteit wordt gegenereerd. Het hete afgas uit de gasturbine wordt daarna aangewend voor de produktie van stoom onder hoge druk. Deze stoom wordt aansluitend in de stoomturbine geëxpandeerd, waarbij eveneens elektriciteit wordt geproduceerd. Het totale energetische rendement van een STEG-eenheid, een inrichting die bekend is uit de stand der techniek, ligt normaliter rond 55% op basis van de stook-waarde.

De werkwijzen volgens de uitvinding hebben qua rendement de volgende voordelen.

Er vindt een omzetting plaats van een gasvormige koolwaterstof naar synthesegas. Het synthesegas geeft een hoger rendement voor wat betreft de elektriciteitsproduktie in een gasturbine dan het gasvormige koolwaterstofuitgangsprodukt.

Een tweede voordeel ligt daarin, dat minder stoom in de koelsectie wordt geproduceerd. De totale gasstroom door de koelsectie wordt onder toepassing van de koelwerkwijze volgens de uitvinding gereduceerd in vergelijking met de bekende fysische koelwerkwijze zoals deze bijvoorbeeld in de vergassingsinstallatie in Buggenum wordt toegepast. Het overall rendement voor eléktriciteitsproduktie uit stoom (40% op enthalpiëbasis) is veel lager dan het overall rendement van eléktriciteitsproduktie uit synthesegas (> 50% op stookwaarde-basis).

Een derde voordeel vloeit voort uit het feit dat het chemische exergieverlies in de quench door middel van een chemische reactie lager is dan bij een fysische quench. De toegevoerde hoeveelheid koud gas is veel lager, zodat het verlies aan fysische exergie sterk wordt beperkt. De endotherme reactie vindt plaats bij de bulktemperatuur van het gas, zodat slechts een beperkt exergieverlies optreedt door het verlopen van de chemische reacties tijdens het chemisch koelen.

Door de endotherme reactie wordt de warmte die vrijkomt bij de afkoeling van het hete synthesegas als het ware opgeslagen in de vorm van chemische energie. De gevormde produkten zijn produkten die reeds in het hete gas aantoonbaar zijn.

Door de omzetting van fysische energie in chemische energie kan elektriciteit met een hoger overall rendement worden verkregen. In feite is het elektriciteitsproducerend rendement uit de gecombineerde synthesegas/gasvormige koolwaterstof stroom hoger dan het totale rendement vein de synthesegasstroom en de koolwaterstofstroom wanneer deze gescheiden aan de elektriciteit-leverende gasturbine of STEG-eenheid worden toegevoerd. Met andere woorden: de verliezen zijn bij de chemische koeling lager dan bij het koelen met gerecirculeerd synthesegas. Hierdoor stijgt het rendement voor de elektriciteitsproduktie. Deze rendements-stijging ligt in de orde van 0,5-1,5%, bijvoorbeeld 0,8%, hetgeen op stookwaardebasis een zeer aanzienlijke voortuitgang betekent.

Daarnaast daalt als gesteld de gasstroom door de syngas-koeler. Er hoeft immers in volume veel minder gasvormig koolwaterstof en eventueel water of stoom en/of kooldioxide te worden toegevoerd dan dat afgekoeld synthesegas moet worden bijgemengd om tot een gewenste synthesegastemperatuur te komen. Een en ander leidt tot verlaagde investeringskosten. Enerzijds kan worden volstaan met een kleinere syngaskoeler, anderzijds is er een kleinere of in het ideale geval geen recirculatiecompressor voor het terugvoeren van afgekoeld synthesegas meer nodig. Wanneer aardgas wordt toegepast als de gasvormige koolwaterstof die volgens de uitvinding in synthesegas wordt geïnjecteerd, kan worden volstaan met een syngaskoeler met een capaciteit van 70-80% van die van de conventionele syngaskoeler.

Met het dalen van de gasstroom door de syngaskoeler, daalt de stoomproduktie eveneens.

Overigens is uit de hierboven reeds genoemde Europese octrooiaanvrage 0 423 401 een werkwijze bekend, waarbij synthesegas wordt gekoeld door het laten plaatsvinden van endotherme reacties in een (tweede) reactor die is gekoppeld aan een kolenvergassingseenheid. in deze octrooiaanvrage waarin het opwekken van elektriciteit niet primair wordt beoogd, zelfs niet wordt genoemd, wordt in de tweede reactor een slurry van een deeltjesvormig koolwaterstofmateriaal in een vloeibare drager in het door vergassing bereide synthese-gasprodukt gebracht. Het deeltjesvormig koolwaterstofmateriaal omvat zware koolwaterstofverbindingen zoals ligniet, bitumineuze kool en subbitumineuze kool. Voorts kunnen kooks van kolen, kolenteer, aardoliekooks, maar ook koolachtig materiaal verkregen uit schalieolie, teerzand, pek, geconcentreerd rioolslib, rubber etc. worden toegevoegd. Als vloeibare fase wordt bij voorkeur water toegepast. Dit zware "koelmateriaal" leidt tot de vorming van relatief veel verschillende reactieprodukten in vergelijking met de produkten die uit de gasvomige koolwaterstoffen en water en/of kooldioxide, de reactanten in de werkwijzen volgens de uitvinding, worden gevormd. Dit houdt in dat extra gasreinigingsstappen of in ieder geval meer uitgebreide gasreinigingsstappen benodigd zijn. Afgezien van de aard van het toegevoerde materiaal en de nadelen die daarmee samenhangen, vereist de werkwijze volgens EP-A-0 423 401 zeer gecompliceerde apparatuur voor het inbrengen van het "koelmateriaal".

Onder toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding komen er in essentie geen vreemde componenten in het synthesegas terecht, zodat het niet noodzakelijk is wezenlijke mechanische aanpassingen aan te brengen in de gasreinigings-sectie.

Aan de koolwaterstoffen die, of het mengsel van koolwaterstoffen dat, volgens de onderhavige uitvinding in het hete synthesegas worden (wordt) gébracht, wordt de eis gesteld, dat zij endotherm met watermoleculen en/of kooldioxidemoleculen reageren, terwijl in hoofdzaak geen reacties worden aangegaan met andere in het synthesegas aanwezige componenten. Geschikte koolwaterstoffen die aan deze criteria voldoen zijn Οχ.4 alkanen, alsmede mengsels van dergelijke alkanen. Eventueel kunnen ook hogere koolwaterstoffen worden toegepast. Bij voorkeur worden aardgas, raffinaderijgas, en/of LPG als koolwaterstofcomponent toegepast. Met de term raff inader ij gas wordt gedoeld op de lichte koolwaterstoffracties die als bijprodukt bij het kraken, destilleren, platforming etc. van olie of olieresiduën worden gevormd. Ook kunnen lichte kraakprodukten van ander organisch materiaal zoals biomassa, hout en afval worden toegepast. Aangezien in de proceslijn van een vergassingsinstallatie gaszuiveringsinrichtingen aanwezig zijn, is het geen probleem wanneer enigszins verontreinigde gasvormige koolwaterstoffen, zoals ongezuiverd, ofwel "zuur" aardgas of raff inaderij gas, worden toegepast.

Afhankelijk van de hoeveelheid water en kooldioxide die reeds in het hete synthesegas aanwezig is moet naast de koolwaterstofstroom al dan niet extra water, gebruikelijk in de vorm van stoom, en/of kooldioxide worden geïnjecteerd. In feite vereist de endotherme reactie per koolstofatoom van de koolwaterstofverbinding een watermolecuul of een kooldioxide-molecuul. De verhouding gasvormige koolwaterstof tot water en/of kooldioxide is evenwel niet kritisch. Het toevoeren van een overmaat gasvormig koolwaterstof of een overmaat water en/of kooldioxide zal zorgen voor een fysische koeling. Aangezien de aanwezigheid van water in het synthesegas in latere stappen tot condensatie kan leiden hetgeen energetische nadelen geeft, en aangezien de aanwezigheid van een overmaat CO2 de achterliggende gasreiniging en elektriciteitsopwekking belast, zal bij voorkeur een overmaat koolwaterstof worden geïnjecteerd.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding wordt een synthesegas geproduceerd waarin zo min mogelijk CO2 aanwezig is. Deze uitvoeringsvorm kan worden gerealiseerd door zoveel koolwaterstofgas toe te voegen dat in hoofdzaak alle kooldioxide wordt geconsumeerd in de reactie met koolwaterstof.

Globaal bevat kolengas afkomstig uit een droge vergassingsinstallatie ongeveer 2% CO2 en 3% h20. in een natte vergassingswerkwijze zijn deze waarden aanzienlijk hoger, bijvoorbeeld 11% C02 en 13% H20. De deskundige kan op relatief eenvoudige wijze volgens bekende technieken de samenstelling van het te koelen gas bepalen. Aan de hand van die gegevens kan hij, afhankelijk van de te gébruiken gasvormige koolwaterstof en het te injecteren water en/of kooldioxidegas, de toevoer van de te injecteren reactanten bepalen. Gebruikelijk is het voldoende ongeveer 5-10% methaan direct in de hete gasstroom te brengen.

Het reactieprodukt van de endotherme reactie die gebruikt wordt voor het koelen van de synthesegasstroom bestaat voor een belangrijk deel uit koolmonoxide en waterstofgas. Dit produktmengsel zorgt voor een verrijking van de synthesegasstroom die in de STEG-eenheid tot een hoger rendement voert.

Overigens worden de voordelen van de onderhavige uitvinding ook verkregen, zij het in een iets mindere grootte-orde, indien eerst een chemische koelstap door directe injectie van een gasvormige koolwaterstof in het synthesegas wordt uitgevoerd tot bijvoorbeeld 1200°C, welke koelstap kan worden gevolgd door een synthesegasquench, een koelstap waarbij gekoeld synthesegas wordt gerecirculeerd. Voor de tweede koelstap hoeft thans slechts een relatief klein gedeelte van het synthesegas worden gerecirculeerd. In feite zijn de voordelen in het chemische quenchgedeelte gelijk aan de reeds beschreven uitvoeringsvormen. Bovendien kan de stroom door de syngaskoeler zelfs kleiner worden. Ten opzichte van de gescheiden opwekking van energie uit enerzijds de synthesegasstroom en anderzijds de koolwaterstofgasstroom is het overall rendement echter minder.

Een van de redenen om de koeling in twee stappen uit te voeren kan zijn gelegen in het feit dat de toe te passen gasvomige koolwaterstof voor het chemisch koelen slechts tot een bepaalde minimumtemperatuur effectief met water- en/of kooldioxidemoleculen zal reageren. Het kan zijn dat afhankelijk van de omstandigheden in het hete synthesegas de endotherme reactie boven bijvoorbeeld 1200°C met een hoge omzetting van circa 80% verloopt en bij een temperatuur van bijvoorbeeld 900°C slechts een lage evenwichtsomzetting van maar 30% heeft. Meer in het bijzonder zal bij lagere temperatuur de endotherme reactie verschuiven naar de kant van de koolwaterstof. Bovendien daalt met de temperatuur ook de reactiesnelheid. Een en ander houdt in dat er, afhankelijk van de samenstelling van het hete gas en de te injecteren reac-tanten en de overige procescondities, een minimale temperatuur is waaronder de chemische koelreactie verwaarloosbaar is en alleen nog fysische koeling plaatsvindt. In het algemeen geldt dat de relatief lage temperatuur en de relatief hoge druk, thermodynamisch en reactiekinetisch, minder geschikt zijn voor de betreffende chemische reactie.

De principes die aan de onderhavige uitvinding ten grondslag liggen kunnen worden uitgewerkt volgens een verder aspect van de uitvinding.

De uitvinding heeft namelijk verder betrekking op een werkwijze voor het reguleren van het koelproces van een synthesegasstroom op zodanige wijze dat pieken in de elektriciteitsvraag kunnen worden opgevangen, waarbij een verhoogde elektriciteitsproduktie wordt verkregen doordat de koelstap van het synthesegas afhankelijk van de verhoogde energievraag wordt uitgevoerd door injecteren van een gasvormige koolwaterstof- en eventueel water- en/of kooldioxidestroom in combinatie met het recirculeren van reeds afgekoeld synthesegas ofwel met het fysisch koelen met een gasvormige koolwaterstof-, water- of kooldioxidestroom.

Meer in detail kan deze reguleringswerkwijze als volgt worden beschreven. Bij een normale basisbelasting van de elektriciteitscentrale die op basis van vergassing werkt, kan worden gekoeld onder toepassing van de chemische koelwerkwijze volgens de uitvinding in combinatie met een tweede koelstap, waarbij gebruik wordt gemaakt van recirculatiegas. Indien de vraag naar elektriciteit op een bepaald moment van de dag groter wordt, kan volgens de uitvinding worden overgestapt van de recirculatiekoeling in de tweede koelstap op een koelwerkwi jze waarbij een koude gasvormig koolwaterstofstroom direct in de synthesegasstroom wordt geïnjecteerd. Aldus wordt in de tweede koelstap gebruik gemaakt van een fysische koeling met een gasvormige koolwaterstofstroom. Door van de ene fysische koelwerkwijze over te schakelen op de andere kan een peak/base-load verhouding van maximaal 1:1,6 ontstaan onder toepassing van methaan als gasvormige koolwaterstof. Een en ander maakt het geschikt deze werkwijze volgens de uitvinding toe te passen voor een flexibele dag/nacht-vermogensregeling van een elektriciteitscentrale.

Een zeer geschikt koelmiddel, waarmee het chemisch en fysisch koelen kan worden uitgevoerd is een ongezuiverde koolwaterstofgasstroom, bijvoorbeeld een zure aardgasstroom of een ongezuiverde raffinaderijgasstroom.

indien een nog flexibeler regulering voor pieken in de elektriciteitsvraag nodig is, terwijl men de vergassings-eenheid toch continu op volle capaciteit wil laten draaien, kan in eerste instantie conventioneel met gekoeld recircula-tiesynthesegas worden gekoeld. Afhankelijk van de elektriciteitsvraag kan dan op een bepaald moment (een deel van) de recirculatiekoeling worden vervangen door de chemische koelwerkwijze volgens de uitvinding, waarna de werkwijze voor het reguleren van het koelproces volgens de uitvinding verder kan worden uitgevoerd. Wanneer van de conventionele koeling met gerecirculeerd afgekoeld synthesegas wordt overgeschakeld naar een chemische quench en injectie van methaangas voor het aanvullend fysisch quenchen kan een peak/load-verhouding van maximaal 1:1,8 worden bereikt.

Thans zal de onderhavige uitvinding nader worden toegelicht aan de hand van de volgende voorbeelden waarin een vergelijking wordt gemaakt tussen drie koelwerkwijzen.

Voorbeeld 1

In dit voorbeeld wordt aangetoond dat toepassing van het chemisch koelen van gas uit een vergassingsinstallatie door middel van injectie van methaan en stoom in combinatie met fysisch koelen met recirculatiegas volgens de uitvinding leidt tot een hoger rendement bij elektriciteitsopwekking en een kleinere syngaskoeler benodigd is in vergelijking met gescheiden opwekking van elektriciteit volgens de stand der techniek.

Een gasvormige methaanstroom van 0,047 kmol/s en een temperatuur van 25°C werd te zamen met een hoeveelheid stoom van 0,047 kmol/s en een temperatuur van 250°C geïnjecteerd in een kolengasstroom van l kmol/s en een temperatuur van 1614°C. De kolengasstroom had de volgende samenstelling: 27,8 mol.% waterstof, 63,1 mol.% koolmonoxide, 1,6 mol.% kooldioxide, 5,1 mol.% stikstof, 0,3 mol.% waterstofsulfide en 2,1 mol.% water. De druk op de plaats van injecteren bedroeg ongeveer 27 bara.

Na injectie resulteerde een gasstroom van 1,18 kmol/s met een temperatuur van 1200°C, die 34,2 mol.% waterstof, 57,0 mol.% koolmonoxide, 1,4 mol.% kooldioxide, 4,4 mol.% stikstof, 0,3 mol.% waterstofsulfide, 2,2 mol.% water en 0,5 mol.% methaan bevatte.

Deze gasstroom werd verder gekoeld tot 900°C door bijmenging van in de synthesegaskoeler afgekoeld kolengas van 0,58 kmol/s en een temperatuur van 247°C, dat uiteraard dezelfde samenstelling bezat als het gas dat in de vorige alinea werd beschreven. Er ontstond een gasstroom van 1,76 kmol/s.

Deze gasstroom werd in de syngaskoeler gekoeld tot 235°C onder opwekking van 0,72 kmol/s stoom van 250°C en 27 bar.

Deze stoom werd in een stoomturbine met een exergetisch rendement van 90% in elektriciteit omgezet.

Een gasstroom van 0,58 kmol/s werd na recompressie naar de bijmengingsplaats voor de fysische quench gerecirculeerd.

De produktgasstroam van 1,18 kmol/s werd naar een STEG-eenheid gevoerd. Deze gasstroom werd in de STEG-eenheid omgezet naar elektriciteit met een rendement van 57,51% op stookwaarde-basis.

De netto elektriciteitsproduktie in de stoomturbine en de STEG-eenheid bedroeg 180,5 MW.

Ter vergelijking werden de volgens de uitvinding toegepaste methaan- en kolengasstromen eveneens gescheiden toegepast voor de produktie van elektriciteit volgens de stand der techniek.

De methaanstroom van 0,047 kmol/s en een temperatuur van 25°C werd daartoe in de STEG-eenheid verbrand, waarbij met een rendement van 55,97% op stookwaardébasis 20,9 MWe elektriciteit werd gegenereerd.

De kolengasstroom (1 kmol/s; 27 bara; 1614°C) werd thans volledig met gerecirculeerd afgekoeld gas (1,20 kmol/s; 247°C) op een temperatuur van 900°C (2,2 kmol/s) gebracht. Deze gasstroom werd in een syngaskoeler gekoeld tot 235°C onder opwekking van 0,91 kmol/s stoom van 250°C en 27 bar. Een gasstroom van 1,2 kmol/s werd gerecirculeerd voor het fysisch quenchen. De produktstroom van 1,0 kmol/s werd naar de STEG-eenheid gevoerd.

Uit de kolengasstroom werd aldus, met een rendement van 57,47% op stookwaardébasis, netto 157,8 MWe elektriciteit geproduceerd.

In totaal werd bij gescheiden opwekking elektriciteit geproduceerd in een netto vermogen van 178,8 MW. Dit betekent dat de rendementsstijging door toepassen van de werkwijze volgens de uitvinding 0,6% op stookwaardébasis bedraagt.

Toepassing van de chemische koelstap resulteert in een verlaging van 20% van de gasstroom door de syngaskoeler alsmede de duty daarvan.

Voorbeeld 2

In dit voorbeeld wordt aangetoond dat toepassing van chemisch koelen door middel van injectie van methaan en stoom in combinatie met fysisch koelen door injectie van een koolwaterstof volgens de uitvinding leidt tot een hoger rendement bij elektriciteitsopwékking en een kleinere syngaskoeler benodigd is in vergelijking met gescheiden opwekking van elektriciteit volgens de stand der techniek.

De werkwijze als beschreven in voorbeeld 1 werd herhaald met deze wijziging dat nu de fysische koelstap niet met gerecirculeerd afgekoeld kolengas werd uitgevoerd maar met een stroom van 0,24 kmol/s methaan van 25°C. Aldus werd een gasstroom met een temperatuur van 900°C verkregen van de volgende samenstelling: 28,5 mol.% waterstof, 47,6 mol.% koolmonoxide, 1,2 mol.% kooldioxide, 3,6 mol.% stikstof, 0,2 mol.% waterstofsulfide, 1,7 mol.% water en 17,0 mol.% methaan.

Vervolgens werd deze gasstroom in de syngaskoeler gekoeld tot een temperatuur van 235°C, waarbij 0,68 kmol/s stoom van 27 bar en 250°C werd gegenereerd. Het produktgas werd aan een STEG-eenheid toegevoerd, waar het met een rendement van 57,15% op stookwaardebasis werd omgezet in elektriciteit.

Netto werd 286,7 MWe elektriciteit opgewekt in de stoomturbine en de STEG-eenheid.

Ook thans werd vergeleken met een proces waarbij de kolengasstroom en de methaangasstroom gescheiden werden aangewend voor de elektriciteitsproduktie.

De gasvormige methaanstroom van 0,28 kmol/s en een temperatuur van 25°C werd toegepast in een STEG-eenheid voor de produktie van elektriciteit. De omzetting naar elektriciteit vond plaats met een rendement van 55,97% op stookwaarde-basis, wat 126,5 MWe elektriciteit leverde.

Overeenkomstig voorbeeld l leverde de kolengasstroom 157,8 MW

In totaal werd dus bij gescheiden opwekking een vermogen van 284,3 MWe aan elektriciteit geproduceerd.

De rendements st ij ging bij toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding bedraagt derhalve 0,5% op stookwaarde-basis.

Voorbeeld 3

In dit voorbeeld wordt aangetoond dat toepassing van chemisch koelen door middel van injectie van methaan en kooldioxide in combinatie met fysisch koelen met recirculatie-gas volgens de uitvinding leidt tot een hoger rendement bij elektriciteitsopwekking in vergelijking met gescheiden opwekking van elektriciteit volgens de stand der techniek.

Een gasvormige methaanstroom van 0,040 kmol/s en een temperatuur van 25°C werd te zamen met een hoeveelheid kooldioxide van 0,040 kmol/s en een temperatuur van 25°C geïnjecteerd in een kolengasstroom van 1 kmol/s en een temperatuur van 1614°C. De kolengasstroom bevatte 27,8 mol.% waterstof, 63,1 mol.% koolmonoxide, 1,6 mol.% kooldioxide, 5,1 mol.% stikstof, 0,3 mol.% diwaterstofsulfide en 2,1 mol.% water. De druk van het gas op het injectiepunt bedroeg ongeveer 27 bara. Na injectie ontstond een gasstroom van 1,15 kmol/s met een temperatuur van 1200°C, welke 30,2 mol.% waterstof, 61,1 mol.% koolmonoxide, 1,6 mol.% kooldioxide, 4,4 mol.% stikstof, 0,3 mol.% diwaterstofsulfide, 2,0 mol.% water en 0,4 mol.% methaan bevatte.

Deze gasstroom werd gekoeld tot 900°C door fysische bijmenging van een recirculatiestroam van reeds gekoeld gas van dezelfde samenstelling van 0,57 kmol/s en een temperatuur van 247°c. Hierbij ontstond een gasstroom van 1,72 kmol/s met ongewijzigde samenstelling. Vervolgens vond verdere koeling tot 235eC plaats in een syngaskoeler onder opwekking van 0,71 kmol/s stoom van 250°C en 27 bar.

Een gasstroom van 0,57 kmol/s werd na recompressie naar het fysische quenchpunt gerecirculeerd.

De produktgasstroom bedroeg 1,15 kmol/s. Toepassing vein deze gasstroom voor elektriciteitsproduktie in een STEG-eenheid met een rendement van 57,49% op stookwaardébasis, alsmede de omzetting van de geproduceerde stoom naar elektriciteit in een stoomturbine met een exergetisch rendement van 90%, leidde tot een netto elektriciteits-produktie van 178,0 MW.

Ter vergelijking werd een werkwijze uitgevoerd, waarbij de hierboven toegepaste aardgas- en kolengasstromen gescheiden werden toegepast voor de produktie van elektriciteit volgens de stand der techniek.

Een gasvormige methaanstroom van 0,040 kmol/s en een temperatuur van 25°C werd verbrand in een STEG-eenheid voor de produktie van elektriciteit. De omzetting naar elektriciteit vond plaats met een rendement van 55,97% op stookwaardébasis, zodat de elektriciteitsproduktie van 18,0 MWe ontstond.

Zoals reeds in voorgaande voorbeelden werd beschreven, leidde toepassing van de kolengasstroom volgens de conventionele werkwijze tot een elektriciteitsproduktie van 157,8 MW.

In totaal wordt dus bij gescheiden opwekking een vermogen opgewekt van 175,8 MWe. Dit betekent dat de rendementswinst door toepassing van de chemische quench is gestegen met 0,8% op stookwaardébasis.

Voorbeeld 4 in dit voorbeeld wordt aangetoond dat toepassing van chemisch koelen door middel van injectie van alleen methaan leidt tot de produktie van synthesegas met nog slechts een zeer kleine hoeveelheid kooldioxide en water.

Een gasvormige methaanstroom van 0,09 kmol/s en een temperatuur van 25°C werd geïnjecteerd in een kolengasstroom van 1 kmol/s en een temperatuur van 1614°C. De kolengasstroom bevatte 27,8 mol.% waterstof, 63,1 mol.% koolmonoxide, 1,6 mol.% kooldioxide, 5,1 mol.% stikstof, 0,3 mol.% diwaterstofsulfide en 2,1 mol.% water. De druk op het injectiepunt bedroeg ongeveer 27 bara. Na injectie ontstond een gasstroom van 1,15 kmol/s met een temperatuur van 1200°C, welke 31,6 mol.% waterstof, 58,7 mol.% koolmonoxide, 0,1 mol.% kooldioxide, 4,4 mol.% stikstof, 0,3 mol.% diwaterstofsulfide, 0,2 mol.% water en 4,7 mol.% methaan bevatte.

Na verdere afkoeling van het synthesegas tot 235°C, werd het gas gereinigd in een gasreinigingssectie. Het zeer lage CO2 gehalte gaf als voordeel dat bij de absorptie van H2S met behulp van sulf inol, co-absorptie van C02 niet langer een probleem vormde. Hierdoor is de benodigde capaciteit van de gasreinigingsapparatuur lager, wat resulteert in economisch voordeel.

Voorbeeld 5 in dit voorbeeld wordt aangetoond dat toepassing van chemisch koelen door het injecteren van alleen methaan in een kolengasstroom uit een natte vergassingsinrichting in combinatie met fysisch koelen met recirculatiegas volgens de uitvinding leidt tot een hoger rendement bij elektriciteits-opwekking dan bij gescheiden opwekking van elektriciteit volgens de stand der techniek.

Een gasvormige methaanstroom van 0,032 kmol/s en een temperatuur van 25°C werd geïnjecteerd in een kolengasstroom van 1 kmol/s en een temperatuur van 1474°C. De kolengasstroom bevatte 29,4 mol.% waterstof, 43,5 mol.% koolmonoxide, 11,1 mol.% kooldioxide, 2,0 mol.% stikstof, 0,2 mol.% diwaterstofsulfide en 13,8 mol.% water. De druk op het injectiepunt bedroeg ongeveer 40 bara. Na injectie ontstond een gasstroom van 1,10 kmol/s met een temperatuur van 1200°C, welke 32,4 mol.% waterstof, 45,7 mol.% koolmonoxide, 7,0 mol.% kooldioxide, 1,8 mol.% stikstof, 0,1 mol.% waterstofsulfide, 12.9 mol.% water en 0,1 mol.% methaan bevatte. Deze gasstroom werd gekoeld tot 900°C door fysische bijmenging van reeds afgekoeld gasvoxmige recirculatiestroom met dezelfde samenstelling van 0,54 kmol/s en een temperatuur van 238°C. Hierbij ontstond een gasstroom van 1,64 kmol/s met ongewijzigde samenstelling. Vervolgens vond verdere koeling tot 235°C plaats in een syngaskoeler onder opwekking van 0,71 kmol/s stoom van 250°C bar en 27 bar. Een gasstroom van 0,54 kmol/s werd na recompressie voor fysisch quenchen naar de hete gasstroom gevoerd. De produktgasstroom bedroeg 1,10 kmol/s. Toepassing van deze gasstroom voor elektrici- teitsproduktie in een STEG-eenheid met een rendement van 58,50% op stookwaardëbasis, alsmede de omzetting van de netto geproduceerde stoom naar elektriciteit in een stoomturbine met een exergetisch rendement van 90% leidde tot een netto elektriciteitsproduktie van 147,1 MW.

Als referentie werd wederom een werkwijze gehanteerd, waarbij de hierboven toegepaste methaan- en kolengasstromen gescheiden werden toegepast voor de produktie van elektriciteit volgens de stand der techniek.

Een gasvormige methaanstroon van 0,032 kmol/s en een tenqperatuur van 25°C werd verbrand in een STEG-eenheid voor de produktie van elektriciteit. De omzetting naar elektriciteit vond plaats met een rendement van 55,97% op stookwaardëbasis, zodat een elektriciteitsproduktie van 14,5 MWe ontstaat.

Een kolengasstroom van 1 kmol/s, een druk van 40 bar en een temperatuur van 1614°C, welke 29,4 mol.% waterstof, 43,5 mol.% koolmonoxide, 11,1 mol.% kooldioxide, 2,0 mol.% stikstof, 0,2 mol.% waterstofsulfide en 13,8 mol.% water bevatte, werd gekoeld door middel van menging met een gasstroom met dezelfde samenstelling van 0,94 kmol/s en een temperatuur van 243°C. Na de quench had de gasstroom van 1,94 kmol/s en een temperatuur van 900°C. Vervolgens vond verdere koeling tot 235°C plaats in een syngaskoeler onder opwekking van 0,86 kmol/s stoom van 250°C en 27 bar. Een gasstroom van 0,94 kmol/s werd na recompressie voor de fysische koelstap gerecirculeerd.

De produktgasstroom bedroeg 1,0 kmol/s. Toepassing van deze gasstroom voor elektriciteitsproduktie in een STEG-eenheid met een overall rendement van 58,77% op stookwaarde-basis, alsmede de netto geproduceerde stoom in een stoomturbine met een exergetisch rendement van 90% leidde tot een netto elektriciteitsproduktie van 131,1 MWe. In totaal wordt dus bij gescheiden opwekking een vermogen opgewekt van 145,6 MWe. Dit betekent dat de rendementswinst door toepassing van de chemische quench is gestegen met 0,7% op stookwaarde-basis.

Claims (8)

1. Werkwijze voor het chemisch koelen van een hete gasstroom in het bijzonder een hete synthesegasstroom, met een temperatuur boven 900°C, met het kenmerk, dat ten minste één gasvormige koolwaterstof, en eventueel water en/of kooldioxide, direct in de hete gasstroom wordt gevoerd.

2. Werkwijze voor het verhogen van het rendement van de elektriciteitsproduktie onder toepassing van een synthesegasstroom uit een vergassingsinrichting, met het kenmerk, dat ten minste één gasvormige koolwaterstof, en eventueel water en/of kooldioxide, direct in de synthesegasstroom wordt (worden) gevoerd, alvorens de gasstroom wordt toegevoerd aan elektriciteitgenererende inrichtingen.

3. Werkwijze voor het produceren van electrische stroom onder toepassing van een synthesegasstroom, met het kenmerk, dat pieken in de vraag naar electriciteit kunnen worden opgevangen en een verhoogd rendement van de stroomproduktie wordt verkregen, doordat het synthesegas, afhankelijk van de verhoogde energievraag, gereguleerd wordt gekoeld door injecteren van ten minste één gasvormige koolwaterstof- en eventueel water- en/of kooldioxide-stroom in combinatie met het recirculeren van reeds afgekoeld synthesegas ofwel met het fysisch koelen met een gasvormige koolwaterstof-, water- of kooldioxidestroom.

4. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat als gasvormige koolwaterstof een alkaan met 1-4 koolstofatomen of een mengsel van dergelijke alkanen wordt toegepast.

5. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat als gasvormige koolwaterstof aardgas of raffinaderijgas wordt toegepast.

6. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het chemisch en fysisch koelen wordt uitgevoerd met een ongezuiverde koolwaterstofgasstroom.

7. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een synthesegas wordt verkregen met een zeer laag gehalte aan kooldioxidegas.

8. Toepassing van op zichzelf bekende rekenmodellen voor het genereren van een flowchart voor het instellen en bepalen van de procesparameters voor de werkwijzen van elk der conclusies 1-6.