DE965755C

DE965755C - Verfahren zur Umwandlung von Kohle in elektrische Energie

Info

Publication number: DE965755C
Application number: DEP7041A
Authority: DE
Inventors: Everett Gorin
Original assignee: Consolidation Coal Co
Current assignee: Consolidation Coal Co
Priority date: 1951-08-31
Filing date: 1952-02-02
Publication date: 1957-06-19
Also published as: US2581651A; FR1104755A; GB694020A

Description

AUSGEGEBEN AM 19. JUNI 1957

P 7041 IVa/2ib

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

Es wurden Gaszellen vorgeschlagen und entwickelt, mit denen Elektrizität durch Verbrennung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff unter Verwendung von Luft als oxydierendem Gas erzeugt wurde. Besondere Erfolge wurden erzielt, wenn die Zellen bei hohen Temperaturen betrieben wurden. Bei den früheren Gaszellen dieser Art wurde das Kohlenmonoxyd und der Wasserstoff zuerst in einer getrennten Vergasungzone erzeugt und dann dem Kathodenende einer Gaszelle zugeführt. Der Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung von Kohle in elektrische Energie bei solchen Anlagen liegt, falls man annimmt, daß der maximale Wirkungsgrad in jeder der beiden getrennten Stufen erreicht ward, in der Größenordnung von 40⁰Ah ao

In dem deutschen Patent 910 918 wird ein Verfahren zur Umwandlung von Kohle in elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von 75% beschrieben. Dieser hohe Wirkungsgrad wird dadurch erreicht, daß die Gaszelle bei einer erhöhten, über der der Erzeugungszone für Kohlenmonoxyd und Wasserstoff liegenden Temperatur betrieben und die Wärme von der mit hoher Temperatur

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arbeitenden Gaszelle auf die Gaserzeugungszone übertragen wird, so daß die erforderliche Wärme die endotherme Dampf-Kohle-Reaktion aufrechtzuerhalten vermag. Da man die Gaszelle nicht sehr viel oberhalb 930⁰ zu betreiben wünscht, muß die Temperatur der Dampf-Kohle-Vergasungszöne unter der Temperatur liegen, bei der die Dampf-Kohle-Reaktion normalerweise zu den optimalsten Ergebnissen führt. Infolgedessen ist die Dampfumwandlung geringer als es zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades der Umwandlung von Kohle in elektrische Energie erforderlich ist, wenn man nicht eine reaktive Kohle oder einen geeigneten Katalysator zur Steigerung der Dampfumwandlungsgeschwindigkeit verwendet. Es ist „deshalb wünschenswert, eine vereinigte Vergasungsund elektrochemische Anlage zu schaffen, bei der die in der Gaszelle entwickelte Wärme zur Aufrechterhaltung der Dampf-Kohle-Reaktion verwendet wird und die Wirkungsgrade unabhängig von der Dampfumwandlung in der Vergasungszone erreicht werden. ;

Nach der Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von Kohle in elektrische Energie mit einem Gesamtwirkungsgrad von annähernd 80% vorgesehen. Dieser Wirkungsgrad liegt sogar höher als beim Verfahren in .dem obenerwähnten deutschen Patent und ist zweimal so hoch wie bei den früheren Anlagen mit Gaszellen. Darüber hinaus ist die Verwirklichung dieser Wirkungsgrade nicht abhängig von einer hohen Dampfumwandlung in der Vergasungszone. Infolgedessen braucht man keine reaktive Kohle oder Katalysatoren zur Erzielung der hohen erfindungsgemäßen Wirkungsgrade zu verwenden.

Insbesondere richtet sich die Erfindung auf eine vereinigte Vergasungs- und elektrochemische Anlage, bei der Wasserdampf und Kotilehdioxyd bei erhöhter Temperatur mit Kohle in einer Vergasungszone umgesetzt werden, um ein gasförmiges Produkt aus Kohlenmonoxyd, Wasserstoff und nicht umgesetztem Wasserdampf und Kohlendioxyd zu erzeugen. Diese Gasmischung und ein oxydierendes Gas, d. h. ein freien Sauerstoff enthaltendes Gas, werden getrennt einer Oxydation-Reduktion-elektrochemischen Reaktionszone mit einer oder mehreren Gaszellen zugeführt, die bei erhöhter, über der Temperatur der Vergasungszone liegender Temperatur arbeitet. In dieser Zone werden Kohlenmonoxyd und Wasserstoff zu Kohlendioxyd und Wasser, .d. h. Wasserdampf, oxydiert. Die entstehende Verbrennungswärme wird zum Teil in elektrische Energie umgewandelt, während der Resi. dazu dient, die Temperatur der Gaszellen vorzugsweise im Bereich von 700 bis 900° zu halten.

Die heißen, gasförmigen und aus der elektrochemischen Zone kommenden Oxydationsprodukte sowie der nicht umgesetzte Wasserdampf und das nicht umgesetzte Kohlendioxyd werden, während sie sich noch im wesentlichen auf der Temperatur der Gaszellen befinden, d. h. ohne absichtliche Kühlung, in die Vergasungszone zurückgeleitet. Die Menge des zurückgeleiteten Gases wird so eingestellt, daß die in der Vergasungszone auftretenden endothermen Reaktionen, nämlich

i. C + H₂O -^ CO + H₂ und

2. CO₂ + C

2CO

unterhalten werden. Eine bestimmte Menge von Kohlendioxyd aus der Gaszelle wird aus dem System abgeleitet, um die Menge des in die Vergasungszone zurückgeführten Kohlendioxyds im wesentlichen konstant zu halten.

Die entsprechenden Verhältnisse von Kohlendioxyd zu Wasser in der der Vergasungszone zugeführten gasförmigen Mischung können sich bei den verschiedenen Systemen von einer' Mischung, die vorherrschend Wasserdampf bis zu einer Mischung, die vorherrschend Kohlendioxyd enthält, ändern. Wenn jedoch für ein gegebenes System einmal ein besonderes Verhältnis gewählt ist, sollte es im wesentlichen konstant gehalten werden, um das System im richtigen Wärmegleichgewicht zu halten.

Die Temperatur der Vergasungszone wird durch die Wärmeübertragung von der Gaszelle aufrechterhalten. Sie liegt deshalb etwas unter der Temperatur, die normalerweise bei solchen Vergasungsreaktionen Verwendung findet. Demnach kann die Dampfumwandlung pro Durchsatz durch die Vergasungszone 5 bis 10% unter den JO⁰Io Umwandlung liegen, die zur Erzielung hoher Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Kohle in elektrische Energie notwendig ist. Jedoch kann durch ständiges Rezirkulieren von Wasserdampf und Kohlendioxyd aus der Gaszelle der nachteilige Effekt der niedrigen Dampf um wandlung pro Durchsatz im wesentlichen ausgeglichen werden. Auf diese Weise ist es möglich, ungewöhnlich hohe Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Kohle in elektrische Energie unabhängig von der. besonderen Dampfumwandlung pro Durchsatz zu erzielen. Durch die Verwendung von Dampf und Kohlendioxyd als Vergasungsreaktionsteilnehmer in einem Rezirkulationssystem braucht man keine reaktive Kohle oder Vergasungskatalysatoren in der Vergasungszone zu verwenden.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile sollen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel und eine abgeänderte Ausführungsform nach der Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben werden. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. ι eine schematische, teilweise im Schnitt gezeichnete Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels nach der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte Einzelansicht einer im Schnitt gezeichneten Zusammenstellung von Gaszellen, wie sie in Fig. 1 schematisch angedeutet sind, und in

Fig. 3 eine schematische und teilweise im Schnitt gezeichnete Darstellung einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage.

In Fig. ι ist mit 10 ein Gasgeneratorkessel mit einem im wesentlichen zylindrischen» Oberteil 12

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

Ein Zyklonabscheider 24 ist im Kessel 10 über dem Spiegel der Einlage 16 geeignet gelagert. Dieser Abscheider dient zur Entfernung fester Körper, die vom Generatorgas mitgerissen wurden, und zur Rückleitung derselben in die Einlage 16 durch eine Tauchleitung 26. Vom Zyklonabscheider führt eine Leitung 28 zur Überführung des Generatorgases zu einer Gaszellenanordnung 40 ab. Ein Paar Wärmeaustauscher 30 und 32 ist in der Leitung 28 vorgesehen, wobei der erste Wärmeaustauscher den Wärmeaustausch zwischen den beiden Teilen der Leitung 28 und der zweite den Wärmeaustausch zwischen einer Wasserleitung 34 und der Leitung 28 besorgt. Eine Pumpe 36 in der Leitung 28 dient zur Umwälzung der darin strömenden Gase.

Die Gaszellenanordnung 40 besteht aus einer Anzahl einzelner Gaszellen 41. Der genaue Aufbau der Gaszellen wird später beschrieben. Sie sind vollständig in die Einlage 16 eingetaucht und verwandeln das gasförmige Produkt aus dem Vergasungskessel in Kohlendioxyd und Wasser, d. h. Wasserdampf.

Die Leitung 42 ist am Austritt der Gaszellenanordnung 40 angeschlossen und dient zur Abführung des in den Zellen erzeugten Kohlendioxyds und Wasserdampfes. Diese Leitung 42 steht mit der Zuführungsleitung 18 und der Zweigleitung 44 in Verbindung. Letztere führt zu einem Wärmeaustauscher 46, um diesem heiße Gase zuzuführen. Eine Leitung 48 verbindet den Wärmeaustauscher 46 mit einer Anlage 50 zur Trennung von C O₂ und H₂O. Die Leitungen 52 und 54 dienen zur Abführung von C O₂ bzw. H₂ O. Eine Leitung 56 verbindet die Trennanlage 50 mit der Leitung 28 zur Rückleitung von freiem C O₂ und H₂ O.

Eine Luftleitung 58, die durch den Wärmeaustauscher 46 führt und den Gaszellen Luft zuleitet, ist mit der Gaszellenanordnung 40 verbunden. Ferner ist mit der Anordnung 40 eine Leitung 60 verbunden, um die verbrauchte Luft abzuführen. Auch die Leitung 60 führt durch den Wärmeaustauscher 46. Eine Dampfleitung 62 dient zur Einführung von Dampf in die Zuführungsleitung 18. Am Kessel 10 ist außerdem eine Aschenabzugsleitung 64 zum Abziehen der Asche aus der Einlage 16 vorhanden. An Hand der Fig. 2 soll nunmehr die Gaszellenanordnung 40 näher beschrieben werden. Die Gaszellen 41 sind untereinander gleich und arbeiten bei einer Temperatur von annähernd 1000⁰. Jede Gaszelle enthält zwei rechteckige Plattenelektroden 70 und 72, die senkrecht und parallel mit Abstand angeordnet sind. Die Elektrode 70 bildet die Anode der Zelle und besteht aus Eisen-Magnetit. Die Elektrode 72 bildet die Kathode der Zelle und besteht aus Eisen-Eisenoxyd. Die beiden Elektroden werden durch einen festen Elektrolyten 74 getrennt, der aus einem hochschmelzenden Glas aus einer Mischung von Natriumsilikat, Monazitsand, WoI-framtrioxyd und Natriumkarbonat besteht. Eine geeignete Mischung besteht beispielsweise aus 43% Natriumkarbonat, 27% Monazitsand, 20% Wolframtrioxyd und 10% Natriumsilikat. Der Elektrolyt ist in Form von Röhren oder in Form einer flachen rechteckigen oder kreisförmigen Platte geprägt. In beiden Fällen werden die Elektroden gegen beide Seiten des Elektrolyten gepreßt und ein oxydierendes Gas über die Anode sowie ein reduzierendes .Gas über die Kathode geleitet. Es ist selbstverständlich, daß der Aufbau der Gaszelle selbst keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet; es genügt, wenn die Zelle bei erhöhten Temperaturen arbeiten kann. Solche Gaszellen sind in der Literatur beschrieben, vgl. »Gaszelle mit festem Elektrolyten — Bull. Acad. Sei. USSR Classe Sei. Tech. 215 bis 218 (1946) ; Zeit, für Elektrochemie, 27, 199 bis 208 (1921); Zeit, für Elektrochemie 43. 7^7 bis 732, (1937).« Die unten beschriebenen Zellen sind mit einem Elektrolyten gebaut, der die Form einer rechteckigen Platte hat.

Jede Gaszelle 41 ist mit einem kastenförmigen Metallgehäuse 76 versehen, dessen Seitenwandungen einen Abstand von den Elektrolyten 70 und 72 haben, so daß Gasdurchlässe 78 und 80 entstehen. Der Durchlaß 78 führt ein oxydierendes Gas in innigem Kontakt mit der positiven Elektrode 70, während der Durchlaß 80 ein reduzierendes Gas, d. h. CO und H₂ O, gewöhnlich Zellengas genannt, in inniger Berührung mit der negativen Elektrode 72 hindurchleitet. Jede einzelne Zelle besteht in Wirklichkeit aus -einer fest zusammengebauten Anordnung von zwei bis zehn Zellen.

Die Gaszellen 41 sind in zwei Teile 82 und 84 mit jeweils gleicher Zellenzahl unterteilt. Die Zellen der einzelnen Teile sind parallel geschaltet, während die beiden Teile bezüglich des Gasdurchstroms in Reihe geschaltet sind. Die Anordnung der Zellengruppen in Reihe vermindert die Leistungsverluste, die infolge der Verluste der Zellenspannung bei Abnahme des Partialdruckes der Reaktionsteilnehmer auftreten, wenn diese bei der Zellenreaktion verbraucht werden. Zu den oberen Enden der Durchlässe 78 in den Zellen des Teiles 82 wird durch Leitungen 86 Luft von der Hauptluftleitung 58 geleitet. Die Leitungen 90 verbinden die unteren Enden der Durchlässe 78 mit einer Verbindungsleitung 92. Diese ist mit dem unteren Ende der Durchlässe 78 der Zellen im Teil 84 mittels Leitungen 94 verbunden. Die oberen Enden der Durchlässe 78 der Zellen im Teil 84 sind mittels Leitungen 98 mit der Abgasleitung 60 verbunden.

Die Gasleitung 28 ist mit den unteren Enden der Durchlässe 80 der Zellen im Teil 82 durch Leitun- las gen 102 verbunden. Die oberen Enden der Durch-

lasse 80 stehen über Leitungen 104 mit einer Leitung 106 in Verbindung, die Gas von den Durchlässen 80 im Teil 82 zu den oberen Enden der Durchlässe 80 im Teil 84 durch Durchlässe 108 führt. Die unteren Enden der Durchlässe 80 der Zellen im Teil 84 stehen über Leitungen 112 mit der Leitung 42 in Verbindung.

Die Zellen 41 sind durch elektrische Leiter 114 zwischen den Elektroden in Reihe geschaltet. Der elektrische Leiter 116 bildet die positive Endklemme des Zellensystems und Leiter 118 die negative. Sie können an eine elektrische Batterie oder eine Kraftanlage angeschaltet sein.

Die Betriebsweise des oben beschriebenen Systems soll nunmehr bei seiner Anwendung auf die Umwandlung von kohlenstoffhaltigen Rückständen, beispielsweise Koks, der bei der bei niedriger Temperatur erfolgenden Entgasung von Kohle entsteht, beschrieben werden. Es ist jedoch selbst-• so verständlich, daß auch anderes kohlenstoffhaltiges Material, das bei Reaktion mit Wasserdampf Kohlenmonoxyd und Wasserstoff liefert, als Rohmaterial dienen kann, beispielsweise Kohle, Koks. Naturgas. Verwendet man feste, kohlenstoffhaltige Stoffe als Einlage des Systems, so kann man entweder den Vergasungsprozeß mit Hilfe des Wirbelschichtverfahrens oder in einem festen Bett durchführen. Das Verfahren mit festem Bett ist vorzuziehen, wenn der Brennstoff klumpig ist. Der im vorliegenden. Fall verwendete Koks ist feinverteilt und eignet sich daher leicht zur Verwendung im Wirbelschichtverfahren.

Feinverteilter Koks wird dem Kessel 10 vom Trichter 20 durch die Leitung 22 zugeführt. Ein Gas, das im wesentlichen aus Kohlendioxyd und Wasserdampf besteht, wird kontinuierlich durch die Leitung 18 in den Kessel 10 eingeleitet. Die Herkunft dieser Gase wird weiter unten noch beschrieben. Die Geschwindigkeit des durch den Kessel 10 zirkulierenden Gases wird so einreguliert, daß die Festkörper im Kessel in bekannter Weise im Schwebezustand gehalten¹ werden. Der Spiegel der Koksschicht wird oberhalb der Gaszellenanordnung 40 gehalten, so daß diese vollständig bedeckt wird und in unmittelbarem Wärmeaustausch mit dem Koks steht. Die Wärme wird der Vergasungszone von den Gaszellen zugeführt, wie später noch genauer beschrieben werden soll. Die sich ergebende Temperatur im Koksbett liegt unter der der Zellen, welche vorzugsweise zwischen 700 und 900⁰ liegt. Infolgedessen beträgt die Temperatur der Vergasungszone im allgemeinen annähernd 670 bis 870⁰. · Bei dieser Temperatur ist die Dampfumwandlung pro Durchsatz in der Größenordnung von 10 bis 45 % in Abwesenheit von Katalysatoren abhängig von der Temperatur.

Die Produkte der Dampf-Kohle- und der Kohledioxyd-Kohle-Reaktion enthalten Asche oder einen geringen festen Kohlenbestandteil, der durch die Leitung 64 abgezogen wird, um den gewünschten Bettspiegel und eine gasförmige, aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff bestehende Mischung zu erhalten. Das gasförmige Erzeugnis wird dem Zyklonabscheider 24 zugeführt und dort von mitgerissenen Feinteilchen befreit, die in die Schicht 16 durch die Tauchleitung 26 zurückgeführt werden. Das von Festkörpern freie, gasförmige Produkt wird dann durch die Leitung 28 und das Wärmeaustauscherpaar 30 und 32 den Leitungen 102 zugeführt, die zu den unteren Enden der Durchlässe 80 der Gaszellen im Teil 82 führen.

Die Wärmeaustauscher 30, 32 dienen zur Abkühlung des heißen Generatorgases, so daß dieses durch die Pumpe 36 gepumpt werden kann. Der Wärmeaustauscher 30 überträgt die Wärme vom heißen gasförmigen Erzeugnis, das" vom Vergasungskessel kommt, auf den gleichen Gasstrom, nachdem dieser durch den Wärmeaustauscher 32 und die Pumpe 36 geströmt ist. Auf diese Weise wird die Temperatur des gasförmigen Produkts gesteigert, bevor es die Gaszellenanordnung erreicht. Diese Steigerung führt das gasförmige Produkt jedoch nicht bis auf seine Ausgangstemperatur. Im Wärmeaustauscher 32 zirkuliert Wasser durch die Leitung 34 in Wärmeaustausch mit dem gasförmigen Produkt, wodurch dieses gekühlt und das Wasser in Dampf verwandelt wird.

Im Gegenstrom zur Zuleitung des Gaszellengases in die Zellenanordnung wird Luft durch die Leitung 58 in die Leitung 86 eingeleitet, die zu den oberen Enden der Durchlässe 78 in den Gaszellen im Teil 82 führt. Die Luft wird vor der Einleitung in die Zellen im Wärmeaustauscher 46 vorerhizt.

An den Anoden 70 der Zellen im Teil 82 werden die Elektronen durch das Eisenoxyd aufgenommen, um ein Oxydion oder sein Äquivalent in den festen Elektrolyten abzugeben. Der in der Luft enthaltene und durch die Durchlässe 78 zirkulierende Sauerstoff reagiert mit dem Eisen und hält seinen Oxydationszustand aufrecht, wobei der verbleibende Stickstoff und der nicht umgesetzte Sauerstoff durch die Leitungen 90 und 92 abgeführt werden. An den Kathoden 72 wird das Oxydion entladen und gibt Elektronen ab, so daß die Elektrode auf eine höhere Oxydationsstufe des Eisens oxydiert wird. Das durch die Durchlässe 80 zirkulierende CO und H₂ reduziert das 'höheroxydierte Eisenoxyd und wird entsprechend zu CO₂ und H₂O umgewandelt, die zusammen mit dem nicht um- no gesetzten CO und H₂ durch die Leitungen 104 und 106 abgeführt werden. Ein Teil der durch die Verbrennung des Generatorgases frei gewordenen Energie erzeugt über den Elektrolyten 74 Elektrizität.

Die gleichen Zellenreaktionen treten im zweiten Teil 84 zwischen den· Elektroden und den im ersten Teil 82 nicht umgesetzten Gasen auf, wobei jedoch die Gase entgegengesetzt zur Strömungsrichtung im Teil 82 strömen.

Die gasförmigen Oxydationsprodukte, die hauptsächlich das im Zellensystem erzeugte C O₂ und H₂O enthalten·, werden daraus in die Leitung 42 abgeführt. Der größere Teil des Gasstromes in der Leitung 42 wird durch die Leitung 18 in den Kessel 10 zurückgeleitet. Ein kleiner Teil wird

durch die Leitung 44 dem Wärmeaustauscher 46 zugeführt, wo seine Wärme teilweise auf die in die Gaszellen eintretende-Luft übertragen wird.

Der von der Leitung 42 durch die Leitung 44 und. durch den Wärmeaustauscher 46- austretende Teil des gasförmigen Produktes wird durch die Leitung 48 dem System 50 zur Entfernung des Kohlendioxyds und des Wassers zugeführt. Das auf diese Weise entfernte Kohlendioxyd und Wasser wird vom System durch die -Leitungen 52 bzw. 54 abgeführt. Das unverbrannte Kohlenmonoxyd und der nicht umgesetzte Wasserstoff werden durch die Leitung 56 und die Leitung 28 in die Gaszelle zurückgeleitet.

Da es sich in dem System um eine Erzeugung von Kohlendioxyd' handelt, ist es wegen der Umwandlung der Kohle in Kohlendioxyd notwendig, dieses aus dem System in der oben beschriebenen Weise zu entfernen. Von dem begleitenden Wasser so wird auch eine gewisse Menge entfernt. Da nur eine sehr geringe Produktion von Wasser erfolgt, ist es notwendig, dem System kontinuierlich Wasser zuzuführen. Dies erfolgt durch die Leitung 62, die mit der Leitung 18 in Verbindung steht. Gegebenenfalls kann der im Wärmeaustauscher 32 erzeugte Dampf Verwendung finden.

Die entsprechenden Anteile von Kohlendioxyd und Wasser in dem dem Vergasungskessel zugeführten Gas können im weiten Bereich von geringem Anteil von Kohlendioxyd bis zu großen Anteilen desselben schwanken. Hat man jedoch einmal ein bestimmtes Verhältnis gewählt, so sollte es im wesentlichen konstant gehalten werden, um das richtige Gleichgewicht im Gesamtsystem konstant zu halten.

Die durch die Gaszellen erzeugte Elektrizität wird vom Zellensystem durch die elektrischen Leitungen 116 und 118 abgeführt. Die einzelnen Zellen erzeugen eine Spannung im Bereich von 0,5 bis 0,9 Volt abhängig von der Stromdichte der Zelle. Der Rest-der Energie ist Wärme und wird, auf die Wirbelschicht der Teilchen 16 übertragen, in die die Zellen eingetaucht sind. Wie bereits erwähnt, arbeiten die Zellen bei annähernd 700 bis 900⁰ und halten die Temperatur der Schicht 16 25 bis 55° unter ihrer eigenen. Wegen der Verwendung der Wirbelschicht wird die von den Zellen entwickelte Wärme rasch und gleichmäßig auf alle Teile des Bettes übertragen.

Es ist selbstverständlich, daß die Anzahl der Gaszellen nur zum Zweck der Erläuterung angegeben ist. Die genaue Anzahl der verwendeten Zellen hängt vom Aufbau des Systems und seiner gewünschten Kapazität ab.

Als besonderes Beispiel für den Betrieb des oben beschriebenen Systems zur Umwandlung von Koks in elektrische Energie sollen folgende Daten und Ergebnisse angegeben werden. Die Temperatur der Gaszellen beträgt 825° und die der Koks-Wirbelschicht 8oo°. Das Molverhältnis von Dampf zu Kohlendioxyd, die dem Vergasungskessel zugeführt werden, liegt bei 0,75. Da ein Mol C O₂ für jedes Mol vergasten C erzeugt wird, .ist es notwendig, dieses CO₂ aus dem System zu entfernen. Um das im Gegenstrom entladene H₂O zu ersetzen, ist es notwendig, dem System 0,62 Mol H₂O zuzufügen.

In der folgenden Tabelle sind die elektrischen Wirkungsgrade des Systems unter den oben genannten Bedingungen angegeben. Der. Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung von Kohle in elektrische Energie ist die Summe zweier Werte. Der erste Wert ist die elektrische Energie des unmittelbaren Ausgangs der Zelle, ausgedrückt in Prozenten der Verbrennungswärme der im System verbrauchten Kohle, der zweite Wert ist die elektrische Energie,'die durch den von der Abwärme des Systems erzeugten Dampf erzeugt werden kann, und wird in-ähnlicher Weise in Prozenten der Verbrennungswärme der im System verbrauchten Kohle angegeben. Bei der Berechnung des letzteren wird angenommen, daß der Wirkungsgrad der Umwandlung von Abwärme über Dampf in elektrische Energie 20% beträgt. Da sich der elektrische Wirkungsgrad der Zelle selbst mit der Stromdichte ändert, zeigt die Tabelle die elektrischen Wirkungsgrade in Abhängigkeit von verschiedenen Stromdichten in der Zelle.

30 40 50

Stromdichte der Zelle in
mA/cm³ 20

Elektrischer Wirkungsgrad (%»):

unmittelbar atts der
Zelle 75,5 72,5 69,6 66,6

aus der Abwärme. .. . 4,9 5,5 6,1 6,7 insgesamt 80,4 78,0 75,7 73,3

In Fig. 3 ist eine abgeänderte Ausführungsform nach der Erfindung dargestellt. Der wesentliche Unterschied dieser Ausführungsform liegt in der Verwendung einer Anzahl von Vergasungszonen und einer entsprechenden Anzahl von Gaszellen, die so angeordnet sind, daß die Gase abwechselnd durch eine Vergasungszone und eine Gaszelle strömen. Durch das mehrstufige Vergasungssystem ist es möglich, die Menge von Wasserdampf herabzusetzen, die rezirkuliert werden muß, um Wirkungsgrade zu erreichen, die Dampfumwandlungen von annähernd 70 °/o entsprechen.

Nach Fig. 3 ist ein Vergasungskessel 200 zur Aufnahme einer Anzahl von Wirbelschicht-Vergasungszonen 201, 2O2¹, 203 und 204 vorgesehen. Feinverteilter Koks wird der obersten Zone 201 zugeführt und gelangt dann, durch die Uberflußleitungen 205, 206 und 207 nach unten und nacheinander durch die anderen Vergasungszonen. Ein aus Kohlendioxyd und Wasserdampf bestehendes Gas wird in die Vergasungszone 204 durch die iao Einlaßleitung 210 mit einer für das Wirbelschichtverfahren geeigneten Geschwindigkeit eingeführt. Das sich ergebende, von der Vergasungszone stammende und aus Kofalenmonoxyd und Wasserstoff bestehende gasförmige Produkt wird durch die Leitung 212 einer Gaszelle 214 zugeführt. Die

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letztere gleicht in Aufbau und Wirkungsweise der bereits beschriebenen Gaszelle 40. Die Oxydationsprodukte und das nicht in der Zelle 214 umgesetzte Gas werden durch eine Leitung 216 in die Vergasungszone 203 geleitet.

In ähnlicher Weise werden die gasförmigen Produkte aus der Vergasungszone 203 der Gaszelle 218 durch eine Leitung 220 zugeführt. Die aus der Gaszelle 218 kommenden Produkte werden durch die Leitung 222 der Vergasungszone 202 zugeführt, wo die Kohle vergast und die gasförmigen Produkte durch die Leitung 224 der Gaszelle 226 zugeleitet werden. Die gasförmigen Produkte aus dieser Gaszelle werden durch die Leitung 228 der Vergasungszone 201 zugeleitet. Die Abgase der Zone 201 werden dann über die Leitung 230 der Gaszelle 232 zugeführt. Während dieser Zeit hat eine wesentliche Umwandlung des ursprünglichen Wasserdampfes stattgefunden. Jedoch wird nicht umgesetzter Wasserdampf zusammen mit dem Kohlendioxyd und dem in der letzten Gaszelle 232 erzeugten Wasserdampf durch die Leitung 210 der Vergasungszone 204 zugeleitet. Der Kohlenstoffgehalt der Vergasungszone nimmt fortschreitend ag von der Zone 201 bis zur Zone 204 ab.

Die Temperatur dieser Vergasungszone und die jeder anderen Vergasungszonen wird durch die Wärme der von der unmittelbar vorhergehenden Gaszelle auf Dampf-Kohle-Reaktionstemperatur gehalten. Die Temperatur jeder Gaszelle liegt oberhalb der. der darauffolgenden Vergasungszone in der abwechselnden Anordnungen von· Gaszellen und Vergasungszonen.

Die in jeder Gaszelle erforderliche Luft wird durch die Leitung 240 und Zweigleitungen 242, 244 und 246 zugeführt. Die von den Gaszellen verbrauchte Luft wird durch Leitungen 250, 252, 254 und 256 in eine Hauptleitung 248 abgegeben. Die eintretende Luft kann durch Wärmeaustausch mit den heißen Abgasen oder der verbrauchten Luft in einem. Wärmeaustauscher 258 erhitzt werden.

Wie bereits bei den vorbeschriebenen Systemen ist es notwendig, das entstandene Kohlendioxyd aus dem System zu entfernen. Dies kann unmittelbar nach der Gaszelle 242 durch eine Leitung 260 erfolgen. Auch hier ist es wieder notwendig, das mit dem .Kohlendioxyd abgeführte Wasser zu ersetzen, um das richtige Verhältnis von Kohlendioxyd zu Wasserdampf aufrechtzuerhalten. Dieses Wasser kann in die Einlaßleitung 210 durch eine Leitung 262 zugeführt werden. Um dieses Wasser in Wasserdampf zu verwandeln, wird es im Wärmeaustausch mit einem Zweigstrom der heißen verbrauchten Luft aus der Leitung 248 und einer Leitung 264 geführt.. In einem solchen System wird die gesamte Dampfumwandlung durch die Anzahl der Stufen im Vergasungskessel und das Gasrückführungsverhältnis bestimmt. Die Anzahl der Stufen kann bis zu dem Punkt gesteigert werden, wo im wesentlichen die gesamte gewünschte Dampfumwandlung bei einem einzigen Durchsatz des Dampfes durch das System erreicht wird. Nach der Erfindung werden jedoch das in einer Gaszelle erzeugte Kohlendioxyd und der Wasserdampf immer in eine Vergasungszone geleitet, so daß ein β₅ geschlossenes Zirkulationssystem von abwechselnden Vergasungs- und elektrochemischen Zonen entsteht. Auf diese Weise können Gesamtwirkungsgrade der Umwandlung von Kohle in elektrische Energie von annähernd 80 °/o verwirklicht werden.

Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung besondere Ausführungsbeispiele beschrieben sind, soll die Erfindung nicht darauf beschränkt sein, sondern kann vom Fachmann im Rahmen der Ansprüche entsprechend abgeändert werden.

Claims

Patentansprüche:

i. Verfahren zur Umwandlung von Kohle in elektrische Energie, gekennzeichnet durch Umsetzen von Wasserdampf und Kohlendioxyd mit Kohlenstoff in wenigstens einer Vergasungszone unter Bedingungen zur Bildung eines gasförmigen Kohlenmonoxyd und Wasserstoff enthaltenden Produktes, durch getrenntes Einleiten dieses gasförmigen Produktes und eines oxydierenden Gases in wenigstens eine elektrochemische Zone, in der das Kohlenmonoxyd und der Wasserstoff zu Kohlendioxyd bzw. Wasserdampf oxydiert werden und ein Teil ihrer Verbrennungswärme in elektrische Energie umgewandelt wird, durch Zuführen des in einer elektrochemischen Zone entwickelten Wasserdampfes und Kohlendioxyds in eine Kohlevergasungszone, durch Aufrechterhaltung der Temperatur jeder.elektrochemischen Zone oberhalb der Temperatur in der Kohlevergasungszone, der die gasförmigen Produkte aus der elektrochemischen Zone zugeführt _10(> werden, und durch Abnahme der erzeugten elektrischen Energie.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Temperatur in einer Vergasungszone durch die von einer elektrochemischen Zone übertragenen Wärme aufrechterhalten wird und daß das Verhältnis von einer Vergasungszone zugeführten Wasserdampfes und Kohlendioxyd im wesentlichen konstant gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff in Form kohlenstoffhaltiger Festteilchen und als oxydierendes Gas Luft Verwendung findet.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge- _lig kennzeichnet, daß die elektrochemische Zone auf einer Temperatur zwischen 700 und 900⁰ gehalten wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, . dadurch gekennzeichnet, daß die tao elektrochemische Zone im unmittelbaren Wärmeaustausch mit der Vergasungszone steht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der größere Teil des von einer elektrochemischen _lSs Zone kommenden gasförmigen Oxydationspro-

duktes ohne absichtliche Kühlung zu einer Vergasungszone zurückgeleitet wird und der Restteil dieses von der elektrochemischen Zone kommenden gasförmigen Oxydationsproduktes Wärmeaustausch mit der dieser Zone

im

zu-

geführten Luft geleitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der im Wärmeaustausch mit der der elektrochemisoben Zone zugeführten Luft geleitete Anteil des gasförmigen Oxydationsproduktes dieser Zone nach der Entfernung von CO₂ und H₂O wieder zugeleitet wird:
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet durch Hindurchleiten von Wasserdampf und Kohlendioxyd durch mehrere Kohlevergasungszonen und durch getrenntes Einleiten des gasförmigen Produktes aus jeder Vergasungszone und des oxydierenden Gases in eine von mehreren elektrochemischen Reaktionszonen, wobei die Vergasungszonen und die elektrochemischen Zonen abwechselnd μ-nd in Reihe angeordnet sind, so daß eine Zirkulation eines einzigen Gasstromes durch das ganze System erfolgt (Fig. 3).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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