WO2012136451A1 - Vorrichtung zur erzeugung von synthesegas - Google Patents

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Siemens AG
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Definitions

  • the invention relates to a device for generating synthesis gas, in particular coal gas, with a carburetor ⁇ device, a gasifier downstream quench cooler and an oxygen generating unit through which the carburetor oxygen is supplied.
  • Hydrogen -containing gas mixtures which are to be used in a synthesis reaction are described as synthesis gases.
  • the synthesis gas can in principle be made from solid, liquid and gaseous starting materials.
  • a known synthesis gas is coal gas.
  • coal dust are coded as partial oxidations with pure oxygen.
  • the required oxygen comes from an oxygen ⁇ generation unit, which usually operates according to the known Linde method.
  • the oxygen production unit or systems may be arranged in the immediate vicinity of or remote from a coal gasification device, with the oxygen then being supplied for coal gasification.
  • Oxygen production according to the Linde process requires a lot of energy in the amount required for coal gasification. This is needed in the form of mechanical power to cool air by compression and relaxation, to separate the thereby becoming liquid nitrogen from the oxygen. At the same ei ⁇ ne very large amount of heat is released during gasification of coal. This is destroyed in a quenching step by water injection and evaporation in a quench cooler, which results in a large exergy loss.
  • coal gas but also other synthesis gases
  • IGCC gas and steam turbine power plants
  • the overall efficiency is greatly redu ⁇ sheet straight through the expenditure of energy for the production of the oxygen and the exergy loss during the quench step.
  • the goal of a C0 2 _ free Stromerzeu ⁇ supply coal is difficult.
  • the invention provides a device for producing synthesis gas with a carburetor device, a quench cooler connected downstream of the carburetor device and an oxygen production unit, by means of which oxygen can be supplied to the carburetor device.
  • the oxygen generation unit is designed such that oxygen can be generated using thermal energy and the thermal energy is removed from the quench cooler.
  • the device according to the invention is based on utilizing a portion of the heat generated during the gasification of a starting material for the production in synthesis gases in order to produce the oxygen required for the gasification.
  • the oxygen production is thus an integral part of the device for generating the synthesis gas by the waste heat of the coal ⁇ gasification process is used for the oxygen production. This results in a significantly more efficient process for the production of synthesis gas. If the synthesis gas is used to generate electricity in an IGCC power plant, a better efficiency for the IGCC power plant can be achieved. This results in a more efficient C0 2 -free Stro ⁇ mermaschineung.
  • a heat exchanger is arranged which, at least removes a portion of its heat to a flowing into the quench reaction mixture, which is produced from a chemical reaction of a starting material with the oxygen in the Ver ⁇ gases means that the oxygen generating unit to Be ⁇ drove the device for the generation of oxygen is ⁇ leads.
  • Energy is withdrawn from the reaction mixture or crude gas via the quench cooler arranged in the heat exchanger for oxygen production. As a result, the exergy loss for the cooling of the reaction mixture is in the
  • the heat exchanger may optionally be arranged before and / or after a Quenchiganeindüsung for cooling the reaction mixture in the quench cooler.
  • the location of the heat exchanger in the quench cooler is measured on the one hand according to how much thermal energy is needed for the oxygen production.
  • the Christsge ⁇ mix which may have temperatures of up to 1,600 ° C when flowing into the quench cooler, does not lead to destruction of the heat exchanger.
  • the heat exchanger on the input side of the Quenchkühlers ⁇ be arranged, so this should preferably be formed as a high-temperature heat exchanger.
  • Radiation recuperators come into consideration.
  • the oxygen generating unit comprises a reagent, which sets in He ⁇ warming in a chemical reaction from air supplied to the oxygen-free.
  • the Sauerstofferzeu ⁇ supply unit is adapted to generate oxygen by means of the most ⁇ th Brin's method. For the chemical decomposition of air by means of Brin's method, they are heated to about 500 ° C., for example with barium oxide (BaO).
  • the barium oxide absorbs oxygen to form Bariumpero ⁇ oxide (BaO> 2).
  • BaO Bariumpero ⁇ oxide
  • the thus formed Bariumpe ⁇ hydroxide in a reversal of the reaction with regeneration of barium oxide, the oxygen-bound again.
  • the Brinsche Ver ⁇ is eg. In [1] described.
  • the oxygen generation unit comprises barium oxide as a reactant, which is heated by the thermal energy from the quench cooler, forms an air stream barium peroxide, from which the oxygen at further raised stabili ⁇ hung the temperature of the Bariumperoxids is desorbed.
  • the reactants other than barium oxide are also other materials, e.g. Mixtures of BaO with other oxides, e.g. MgO.
  • the supplied oxygen generating unit air flows through the Wär ⁇ exchangers and provides a direct heating of the Reakti ⁇ onsffens.
  • An advantage of this embodiment is that only arranged inside the oxygen-generating ⁇ unit heat exchanger is required to trigger the chemical reaction of the reaction agent in the Sauerstoffer ⁇ generating unit.
  • another heat exchanger is disposed in the oxygen generating unit for delivering heat to the reactant and activating a chemical reaction of the heated reactant.
  • the heating of the reaction medium by the further heat exchangers are supported.
  • the oxygen to be supplied to the oxygen generating unit is introduced directly into the oxygen generating unit with the heated by the other heat exchanger reactant.
  • the heating of the reactivated ⁇ onsffens can be done indirectly in this embodiment variant using the other heat exchanger.
  • a heating of the oxygen generating unit supplied air is possible in principle, but not essential.
  • the oxygen generation unit comprises a plurality of oxygen producers connected in parallel, which are operated in the so-called temperature swing adsorption (TSA) process.
  • TSA temperature swing adsorption
  • the starting material is coal dust and the synthesis gas is coal gas.
  • the synthesis gas is coal gas.
  • other remplisstof fe could be used to produce the synthesis gas.
  • Fig. 2 shows a first embodiment variant of a device according OF INVENTION ⁇ dung to produce synthesis gas
  • Fig. 3 shows a second embodiment variant of a device according to the OF INVENTION ⁇ dung production of synthesis gas
  • FIGS. 2 or 3 shows a schematic representation of an oxygen generating unit for use in a device according to the invention according to FIGS. 2 or 3.
  • the apparatuses described below describe the production of coal gas.
  • the production of coal gas is representative of the generation of a synthesis ⁇ gas.
  • Other synthesis gases could also be generated with the devices according to the invention.
  • Fig. 1 shows a known device 1 for the production of
  • the device 1 comprises a gasifier device 2, a quench cooler 3 connected downstream of the gasifier device 2, and an oxygen production unit 6 spatially adjacent only by way of example.
  • the oxygen generation unit 6 is based on the Linde process in the conventional apparatus for producing coal gas.
  • the oxygen generating unit 6 air 20 is supplied.
  • the oxygen 80 is supplied via a compressor 7 of the carburetor 2.
  • the carburetor 2 is further supplied as a raw material coal dust 10.
  • partial oxidation of the coal dust with the pure oxygen takes place.
  • the following simplified StoffUm ⁇ rate equations result:
  • Quenchwasserdüsen 4 are provided in the quench cooler to cool the reaction mixture.
  • the carbon monoxide is converted into hydrogen, which is prevented by the strong cooling reaction to C0 2 .
  • This is accompanied by the destruction of large thermal energy (exergy loss).
  • the coal gas 50 is at a temperature discharged from the quench cooler 3 of about 200 ° C and can then be used in the IGCC power plant as a fuel.
  • the oxygen generator 6 could also be arranged spatially away from the apparatus for producing coal gas 2, wherein the oxygen would then have to be supplied to ⁇ .
  • the devices according to the invention for producing coal gas described in more detail below use part of the heat generated during the gasification of the coal dust in order to generate the oxygen necessary for the gasification.
  • the oxygen production is thus integrated into the device for producing the coal gas.
  • oxygen generation is based not on a physical but on a chemical reaction.
  • Sauerstofferzeu- supply unit 6 is included as a reactant example barium ⁇ oxide.
  • the barium oxide is heated to about 500 ° C, wherein this un ⁇ ter air supply barium peroxide (Ba0 2 ) forms.
  • the oxygen is desorbable at a further increase in temperature to about 700 ° C.
  • the increase of the temperature of about 500 ° C to 700 ° C can also be done with removal of thermal shear ⁇ energy from the quench cooler 3.
  • This type of oxygen production is referred to as Brin's method and is described, for example, in [1].
  • the pressure in the oxygen generating unit 6 may be temporarily lowered to release the oxygen.
  • Fig. 2 shows a first possible embodiment of the invention.
  • the carburetor unit 2 has no difference with respect to the carburetor unit 2 of FIG. 1 known from the prior art.
  • the gasifier unit 2 is pulverized coal 10 is supplied with pure oxygen 80 so that it follows the already described ⁇ be partial oxidation of the coal dust ⁇ .
  • the reaction mixture is passed under a pressure of about 40 bar and a temperature of 1,600 ° C in the quench cooler 3.
  • Quenchingerdüsen 4 are arranged to cool the reaction mixture or the crude gas. In this Auscons ⁇ variant doing a cooling takes place by way of example to about 900 ° C.
  • a heat exchanger 5 is disposed OF INVENTION ⁇ dung invention.
  • compressed air 20 is passed through a compressor 7 and supplied to the oxygen production unit 6, so that the above-described temperatures of 500 to 700 ° C. for the formation of barium peroxide and for desorbing the oxygen from the barium peroxide are achieved in the oxygen production unit.
  • the pure oxygen 80 is supplied to the carburetor 2. Excess water 60 will be at the bottom of the main area of the
  • the heat exchangers are shear 5 more quench water nozzles 4 in the side portion of the quench cooler 3 downstream.
  • the heat exchanger 5 is arranged, for example, near the entrance of the quench cooler 3. Since the heat exchanger 5 is exposed to considerably higher temperatures in this configuration than in the embodiment of FIG. 2, a so-called high-temperature heat exchanger is preferably used here. This can be formed, for example, as a radiation recuperator. As in the previous embodiment is performed by the slaughtertau ⁇ shear 5 compressed by the compressor 7 air 20, so that the oxygen producing unit 6 can be operated with tempera ⁇ temperatures between 500 and 700 ° C. In order to be able to ensure a cooling of the reaction mixture or raw gas at the outlet of the quench cooler 3 to the required 200 ° C., the heat exchanger 5 is followed by at least one quench water injection unit 4. This ensures the erforder ⁇ Liche cooling the reaction mixture or crude gas.
  • the üb ⁇ ring components of the second embodiment entspre ⁇ chen those of the first embodiment shown in Fig. 2.
  • the heat transfer to the barium oxide present in the oxygen production unit 6 can also be effected in an indirect manner. This will be explained in more detail with reference to the schematic representation of an oxygen production unit 6 in FIG. 4.
  • the oxygen production unit 6 shown in FIG. 4 has, by way of example, two oxygen producers 6 'connected in parallel. These are identical.
  • a waste heat stream 40 which is fed from the arranged in the quench cooler heat exchanger, is fed via controllable valves 8 'a respective further heat exchanger 8 in the interior of the oxygen generator 6'.
  • the waste heat stream can be guided in a closed circuit.
  • About the other heat exchanger 8 is carried out a heating of the inside of the oxygen generator 6 'arranged barium oxide (BaO).
  • the waste heat flow 40 to the oxygen generators 6 ' can be controlled via the valves 8' arranged on the inlet side.
  • Air 20 is fed via an optional external heat exchanger 9 to a respective oxygen generator 6 ', which forms due to the heated barium oxide in the interior of the oxygen ⁇ generator 6' barium peroxide.
  • the external heat exchanger 9 is fed via the nitrogen 30 discharged from the oxygen generators 6 '.
  • the removal of oxygen is indicated by the reference numeral 80 as in the preceding figures.
  • the oxygen is supplied via the external heat exchangers 9 upstream valves 9 '.
  • TSA process temperature swing adsorption process
  • the barium oxide in the left oxygen generator 6 ' may be heated to 500 ° C., so that barium peroxide is formed with the introduction of air.
  • the Bariumpe ⁇ hydroxide in the right oxygen generator 6 is heated 'at 700 ° C, so that oxygen from the barium peroxide is desorbed and can be passed to the gasifier facility. 2
  • the preheating of the supply air could also be realized by a further heat exchanger in the interior of the quench cooler 3 instead of the external heat exchanger 9 shown in Fig. 4. Similarly, one could dispense with preheating the supply air ⁇ to.
  • the oxygen production is carried out using the waste heat of the coal gasification process in an integrated form. This makes a significantly more efficient process for the production of coal gas possible.
  • Using the coal gasifier in an IGCC power plant results in more efficient power generation compared to conventional systems.
  • the device according to the invention could also be used to produce other synthesis gases.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas (50) mit einer Vergasereinrichtung (2), einem der Vergasereinrichtung (2) nachgeschalteten Quenchkühler (3) und einer Sauerstofferzeugungseinheit (6), durch die der Vergasereinrichtung (2) Sauerstoff zuführbar ist. Die Sauerstofferzeugungseinheit (6) ist derart ausgestaltet, dass Sauerstoff unter Verwendung von thermischer Energie aus dem Quenchkühler (3) erzeugbar ist.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas, insbesondere von Kohlegas, mit einer Vergaser¬ einrichtung, einem der Vergasereinrichtung nachgeschalteten Quenchkühler und einer Sauerstofferzeugungseinheit, durch die der Vergasereinrichtung Sauerstoff zuführbar ist.
Als Synthesegase werden wasserstoffhaltige Gasgemische be¬ zeichnet, die in einer Synthesereaktion zum Einsatz kommen sollen. Die Herstellung von Synthesegas kann prinzipiell aus festen, flüssigen und gasförmigen Ausgangsstoffen erfolgen. Ein bekanntes Synthesegas stellt Kohlegas dar. Bei der Kohle¬ vergasung wird Kohlestaub mit reinem Sauerstoff partiell oxi- diert. Der benötigte Sauerstoff stammt aus einer Sauerstoff¬ erzeugungseinheit, welche üblicherweise nach dem bekannten Linde-Verfahren arbeitet. Die Sauerstofferzeugungseinheit oder -anläge kann dabei in unmittelbarer räumlicher Nähe zu einer Kohlevergasungseinrichtung oder entfernt davon angeordnet sein, wobei der Sauerstoff für die Kohlevergasung dann angeliefert wird.
Die Sauerstofferzeugung nach dem Linde-Verfahren benötigt in der bei der Kohlevergasung benötigten Menge sehr viel Energie. Diese wird in Form mechanischer Leistung benötigt, um durch Kompression und Entspannung Luft abzukühlen, um den hierdurch früher flüssig werdenden Stickstoff vom Sauerstoff zu trennen. Gleichzeitig wird bei der Vergasung von Kohle ei¬ ne sehr große Menge an Wärme frei. Diese wird in einem sog. Quenchschritt durch Wassereindüsung und -Verdampfung in einem Quenchkühler vernichtet, wodurch ein großer Exergie-Verlust die Folge ist.
Insbesondere Kohlegas, aber auch andere Synthesegase, werden in Gas- und Dampf-Turbinen-Kraftwerken (Integrated Gasifica- tion Combined Cycle IGCC) verwendet. Bei solchen IGCC- Kraftwerken wird der Gesamtwirkungsgrad gerade durch den Energieaufwand für die Erzeugung des Sauerstoffs und den Exergie-Verlust im Rahmen des Quenchschrittes stark redu¬ ziert. Hierdurch wird das Ziel einer C02 _freien Stromerzeu¬ gung aus Kohle erschwert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der die Erzeugung von Synthesegas mit geringe¬ rem Energieaufwand möglich ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patenanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas mit einer Vergasereinrichtung, einem der Vergasereinrichtung nachgeschalteten Quenchkühler und einer Sauerstofferzeugungseinheit, durch die der Vergasereinrichtung Sauerstoff zuführbar ist. Erfindungsgemäß ist die Sauerstoff¬ erzeugungseinheit derart ausgestaltet, dass Sauerstoff unter Verwendung von thermischer Energie erzeugbar ist und die thermische Energie dem Quenchkühler entzogen ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung basiert darauf, einen Teil der bei der Vergasung eines Ausgangsstoffes für die Erzeugung in Synthesegasen erzeugten Wärme zu nutzen, um den für die Vergasung benötigten Sauerstoff zu erzeugen. Die Sauerstofferzeugung ist somit integraler Bestandteil der Vorrichtung zur Erzeugung des Synthesegases, indem die Abwärme des Kohle¬ vergasungsprozesses für die Sauerstofferzeugung verwendet wird. Hieraus ergibt sich ein deutlich effizienterer Prozess zur Herstellung von Synthesegas. Wird das Synthesegas zur Stromerzeugung in einem IGCC-Kraftwerk eingesetzt, so kann ein besserer Wirkungsgrad für das IGCC-Kraftwerk erzielt werden. Hierdurch ergibt sich eine effizientere C02-freie Stro¬ merzeugung . In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist in dem Quenchkühler ein Wärmetauscher angeordnet, welcher einem in den Quenchkühler einströmenden Reaktionsgemisch, das aus einer chemischen Reaktion eines Ausgangsstoffes mit dem Sauerstoff in der Ver¬ gasereinrichtung erzeugt ist, zumindest einen Teil seiner Wärme entzieht, die der Sauerstofferzeugungseinheit im Be¬ trieb der Vorrichtung für die Erzeugung des Sauerstoffs zuge¬ führt wird. Über den in dem Quenchkühler angeordneten Wärmetauscher wird dem Reaktionsgemisch bzw. Rohgas Energie zur Sauerstofferzeugung entzogen. Infolgedessen ist der Exergie- Verlust für die Abkühlung des Reaktionsgemisches in dem
Quenchkühler geringer.
Der Wärmetauscher kann wahlweise vor und/oder nach einer Quenchwassereindüsung zur Abkühlung des Reaktionsgemisches in dem Quenchkühler angeordnet sein. Der Ort des Wärmetauschers in dem Quenchkühler bemisst sich einerseits danach, wie viel thermische Energie für die Sauerstofferzeugung benötigt wird. Andererseits ist zu berücksichtigen, dass das Reaktionsge¬ misch, das beim Einströmen in den Quenchkühler Temperaturen von bis zu 1.600 °C aufweisen kann, nicht zu einer Zerstörung des Wärmetauschers führt.
So kann es bspw. zweckmäßig sein, den Wärmetauscher nach einer am Eingang des Quenchkühlers angeordneten Quenchwasse¬ reindüsung vorzusehen, so dass das Reaktionsgemisch bereits abgekühlt ist. Reicht die durch den Wärmetauscher dem Reakti¬ onsgemisch entzogene Wärme nicht aus, um das Reaktionsgemisch auf die vorgegebene Temperatur zur Erzeugung des Synthesega¬ ses abzukühlen, so kann auch dem Wärmetauscher nachgeschaltet eine weitere Quenchwassereindüsung vorgesehen sein.
Ist der Wärmetauscher eingangsseitig des Quenchkühlers ange¬ ordnet, so sollte dieser vorzugsweise als Hochtemperatur- Wärmetauscher ausgebildet sein. Hierfür kommen bspw. Strahlungsrekuperatoren in Betracht. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Sauerstofferzeugungseinheit ein Reaktionsmittel, welches bei Er¬ wärmung in einer chemischen Reaktion aus zugeführter Luft den Sauerstoff frei setzt. Insbesondere ist die Sauerstofferzeu¬ gungseinheit dazu ausgebildet, Sauerstoff mittels des bekann¬ ten Brinschen Verfahrens zu erzeugen. Zur chemischen Zerlegung von Luft mittels des Brinschen Verfahrens erhitzt man diese z.B. mit Bariumoxid (BaO) auf etwa 500 °C. Hierbei nimmt das Bariumoxid Sauerstoff unter Bildung von Bariumpero¬ xid (BaC>2) auf. Bei einer Temperaturerhöhung auf 700 °C (oder bei einer Druckverminderung) gibt das so gebildete Bariumpe¬ roxid in Umkehrung der Reaktion unter Rückbildung von Bariumoxid den gebundenen Sauerstoff wieder ab. Das Brinsche Ver¬ fahren ist bspw. in [1] beschrieben.
Zweckmäßigerweise umfasst die Sauerstofferzeugungseinheit als Reaktionsmittel Bariumoxid, welches, durch die thermische Energie aus dem Quenchkühler erhitzt, unter Luftzufuhr Bariumperoxid bildet, aus dem der Sauerstoff bei weiterer Erhö¬ hung der Temperatur des Bariumperoxids desorbierbar ist.
Prinzipiell kommen als Reaktionsmittel neben Bariumoxid auch andere Materialien in Betracht, z.B. Mischungen von BaO mit anderen Oxiden wie z.B. MgO .
In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung strömt die der Sauerstofferzeugungseinheit zuzuführende Luft durch den Wär¬ metauscher und sorgt für eine direkte Erwärmung des Reakti¬ onsmittels. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante besteht darin, dass lediglich der innerhalb der Sauerstofferzeugungs¬ einheit angeordnete Wärmetauscher erforderlich ist, um die chemische Reaktion des Reaktionsmittels in der Sauerstoffer¬ zeugungseinheit auszulösen.
Alternativ oder zusätzlich ist ein weiterer Wärmetauscher in der Sauerstofferzeugungseinheit angeordnet zur Abgabe von Wärme an das Reaktionsmittel und zur Aktivierung einer chemischen Reaktion des erwärmten Reaktionsmittels. Hierdurch kann die Erwärmung des Reaktionsmittels durch den weiteren Wärme- tauscher unterstützt werden. Insbesondere ist es in diesem Zusammenhang zweckmäßig, wenn die der Sauerstofferzeugungs- einheit zuzuführende Luft direkt in die Sauerstofferzeugungs einheit mit dem durch den weiteren Wärmetauscher erwärmten Reaktionsmittel eingebracht wird. Die Erwärmung des Reakti¬ onsmittels kann bei dieser Ausgestaltungsvariante indirekt unter Nutzung des weiteren Wärmetauschers erfolgen. Eine Erwärmung der der Sauerstofferzeugungseinheit zugeführten Luft ist prinzipiell möglich, jedoch nicht zwingend notwendig.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die Sauerstofferzeugungs¬ einheit eine Mehrzahl an parallel verschalteten Sauerstoffer zeugern umfasst, welche im sog. Temperature-Swing-Adsorption (TSA) -Verfahren betrieben werden. Hierdurch kann eine kontinuierliche Sauerstofferzeugung sichergestellt werden, indem in einem ersten Sauerstofferzeuger Luft mit dem Reaktionsmit tel auf einen unteren Temperaturwert erhöht wird, wobei das Reaktionsmittel Sauerstoff aufnimmt. Währenddessen kann in einem zweiten Sauerstofferzeuger eine Temperaturerhöhung auf einen höheren Temperaturwert erfolgen, so dass der an dem Re aktionsmittel gebundene Sauerstoff wieder abgegeben wird. Werden die beiden Sauerstofferzeuger abwechselnd in der beschriebenen Weise betrieben, so lässt sich der erwähnte kontinuierliche Sauerstoffström für die Erzeugung des Synthese¬ gases bereit stellen.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die der Sauerstofferzeu¬ gungseinheit zuzuführende Luft durch einen Kompressor kompri miert ist.
Vorzugsweise ist der Ausgangsstoff Kohlestaub und das Synthe segas Kohlegas. Prinzipiell könnten auch andere Ausgangsstof fe zur Erzeugung des Synthesegases verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungs¬ beispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas,
Fig. 2 eine erste Ausgestaltungsvariante einer erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Synthe- segas ,
Fig. 3 eine zweite Ausgestaltungsvariante einer erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Sauerstoffer- zeugungseinheit zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß den Fig. 2 oder 3.
In den nachfolgend beschriebenen Vorrichtungen wird die Erzeugung von Kohlegas beschrieben. Die Erzeugung von Kohlegas steht dabei stellvertretend für die Erzeugung eines Synthese¬ gases. Mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen könnten auch andere Synthesegase erzeugt werden.
In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszei¬ chen versehen. Fig. 1 zeigt eine bekannte Vorrichtung 1 zur Erzeugung von
Kohlegas 50. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Vergasereinrichtung 2, einen der Vergasereinrichtung 2 nachgeschalteten Quenchkühler 3 sowie eine lediglich beispielhaft räumlich benachbarte Sauerstofferzeugungseinheit 6. Die Sauerstofferzeu- gungseinheit 6 basiert bei der herkömmlichen Vorrichtung zur Erzeugung von Kohlegas auf dem Linde-Verfahren. Dabei wird der Sauerstofferzeugungseinheit 6 Luft 20 zugeführt. Unter Aufwendung mechanischer Leistung erfolgt eine Komprimierung und Entspannung der Luft. Hierdurch wird Stickstoff flüssig und kann von dem Sauerstoff getrennt werden. Die Stickstoff¬ abfuhr ist mit dem Bezugszeichen 30 gekennzeichnet. Der Sauerstoff 80 wird über einen Kompressor 7 der Vergasereinrichtung 2 zugeführt. Der Vergasereinrichtung 2 wird als Ausgangsstoff ferner Kohlestaub 10 zugeführt. In dem Kohlevergaser 2 erfolgt eine partielle Oxidierung des Kohlestaubs mit dem reinen Sauer- stoff. Hierbei ergeben sich folgende, vereinfachte StoffUm¬ satzgleichungen :
2C + 02 " 2CO + 221kJ (1) 2CO + 02 " C02 + 476, 4kJ (2)
Aus diesen Gleichungen lassen sich die Massenströme und Leistungen eines beispielhaften 500 MW Reaktors eines Gas- und Dampf-Turbinen-Kraftwerks ( IGCC-Kraftwerks ) abschätzen. Ein trockener Kohlemassenstrom von 25,2 kg/s entspricht bei vollständiger Verbrennung der Kohle einer Leistung von 732,3 MW. Unter Berücksichtung der Verluste für die Sauerstofferzeugung und den Quenchschnitt ergibt sich eine Leistung von 500 MW des beispielhaften Reaktors. Für die Vergasung des oben ge- nannten Kohlemassenstroms wird ein Sauerstoff-Massenstrom von 33,6 kg/s benötigt. Die Leistung für Sauerstofferzeugung beträgt 109,4 MW, wobei diese Leitung ein Erfahrungswert ist. Bei der Vergasung ergibt sich ein Exergie-Verlust durch thermische Freisetzung von 232 MW. Damit entfallen 15 % der
Enthalpie der Kohle auf die Sauerstofferzeugung und 32 % der Enthalpie der Kohle auf die Wärmefreisetzung, die während des Quenchvorganges unbrauchbar gemacht wird.
Ein durch die partielle Oxidation des Kohlestaubs entstehen- des Reaktionsgemisch bzw. Rohgas in Form von Kohlenmonoxid strömt bei einem Druck von etwa 40 bar und einer Temperatur von 1.600 °C in den Quenchkühler 3 an. Eingangsseitig sind in dem Quenchkühler 3 Quenchwasserdüsen 4 vorgesehen, um das Reaktionsgemisch abzukühlen. Hierdurch wird das Kohlenmonoxid in Wasserstoff umgewandelt, wobei durch die starke Abkühlung eine Reaktion zu C02 verhindert wird. Allerdings geht dies mit der Vernichtung großer thermischer Energie (Exergie- Verlust) einher. Das Kohlegas 50 wird bei einer Temperatur von etwa 200 °C aus dem Quenchkühler 3 ausgeleitet und kann anschließend in dem IGCC-Kraftwerk als Brennstoff eingesetzt werden. Am Boden des Quenchkühlers 3 sammelt sich das durch die Quenchwassereindüsung 4 entstehende Überschusswasser 60 sowie ein Schlackegranulat 70, welche aus dem Quenchkühler 3 ausgeleitet werden.
Die für die Sauerstofferzeugung nach dem Linde-Verfahren notwendige Energie muss von einer externen Energiequelle bereit¬ gestellt werden. Hierdurch ergibt sich, wie oben gezeigt, ein geringer Wirkungsgrad der Vorrichtung. Entgegen der zeichnerischen Darstellung der Fig. 1 könnte der Sauerstofferzeuger 6 auch räumlich entfernt von der Vorrichtung zur Erzeugung von Kohlegas 2 angeordnet sein, wobei der Sauerstoff dann an¬ geliefert werden müsste.
Die nachfolgend näher beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Erzeugung von Kohlegas nutzen einen Teil der bei der Vergasung des Kohlestaubs erzeugten Wärme, um den für die Vergasung notwendigen Sauerstoff zu erzeugen. Bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen erfolgt die Sauerstofferzeugung somit integriert in der Vorrichtung zur Erzeugung des Kohlegases. Die Sauerstofferzeugung basiert dabei im Gegensatz zu dem üblicherweise verwendeten Linde-Verfahren nicht auf einer physikalischen, sondern auf einer chemischen Reaktion.
In der in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Sauerstofferzeu- gungseinheit 6 ist als Reaktionsmittel beispielhaft Barium¬ oxid enthalten. Durch thermische Energie aus dem Quenchkühler wird das Bariumoxid auf ca. 500 °C erhitzt, wobei dieses un¬ ter Luftzufuhr Bariumperoxid (Ba02) bildet. Aus dem Bariumpe¬ roxid ist der Sauerstoff bei weiterer Erhöhung der Temperatur auf etwa 700 °C desorbierbar . Die Erhöhung der Temperatur von etwa 500 °C auf 700 °C kann ebenfalls unter Entnahme thermi¬ scher Energie aus dem Quenchkühler 3 erfolgen. Diese Art der Sauerstofferzeugung wird als Brinsches Verfahren bezeichnet und ist bspw. in [1] beschrieben. Um den Sauerstoff aus dem Bariumperoxid in der Sauerstoffer- zeugungseinheit 6 zu desorbieren, kann anstelle der Variation der Temperatur zwischen 500 und 700 °C auch der Druck in der Sauerstofferzeugungseinheit 6 zeitweise abgesenkt werden, um den Sauerstoff freizugeben.
Fig. 2 zeigt eine erste mögliche Aus führungs form der Erfindung. Die Vergasereinheit 2 weist dabei gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Vergasereinheit 2 in Fig. 1 kei- nen Unterschied auf. Der Vergasereinheit 2 wird Kohlestaub 10 zusammen mit reinem Sauerstoff 80 zugeführt, so dass die be¬ reits beschriebene partielle Oxidation des Kohlestaubes er¬ folgt. Das Reaktionsgemisch wird unter einem Druck von ca. 40 bar und einer Temperatur von 1.600 °C in den Quenchkühler 3 geleitet. Am Eingang des Quenchkühlers 3 sind die bereits be¬ schriebenen Quenchwasserdüsen 4 zur Abkühlung des Reaktionsgemisches bzw. Rohgases angeordnet. In dieser Ausgestaltungs¬ variante erfolgt dabei beispielhaft eine Abkühlung auf etwa 900 °C.
In einem seitlichen Abschnitt des Quenchkühlers 3 ist erfin¬ dungsgemäß ein Wärmetauscher 5 angeordnet. Durch diesen wird über einen Kompressor 7 komprimierte Luft 20 geleitet und der Sauerstofferzeugungseinheit 6 zugeführt, so dass in der Sau- erstofferzeugungseinheit die oben beschriebenen Temperaturen von 500 bis 700 °C zur Bildung von Bariumperoxid sowie zur Desorbierung des Sauerstoffs aus dem Bariumperoxid erreich werden. Nach einem Ausleiten von Stickstoff 30 wird der reine Sauerstoff 80 der Vergasereinrichtung 2 zugeführt. Über- schusswasser 60 wird sowohl am Boden des Hauptbereichs des
Quenchkühlers 3 als auch am Boden des Seitenabzweigs, in dem der Wärmetauscher 5 angeordnet ist, ausgeleitet. Ebenso fin¬ det die bereits beschriebene Ausleitung des Schlackegranulats 70 am Boden des Quenchkühlers 3 statt.
Da die durch den Wärmetauscher 5 dem Reaktionsgemisch entzogene Energie nicht ausreichend ist, um dieses auf die erfor¬ derliche Temperatur von 200 °C abzukühlen, sind dem Wärmetau- scher 5 weitere Quenchwasserdüsen 4 in dem seitlichen Abschnitt des Quenchkühlers 3 nachgeschaltet.
Verglichen mit einer herkömmlichen Vorrichtung zur Kohlegaserzeugung wird bei der in Fig. 2 beschriebenen Vorrichtung erheblich weniger Quenchwasser in dem Quenchkühler 3 zugegeben. Das Reaktionsgemisch bzw. Rohgas wird durch die ein- gangsseitig angeordneten Quenchwasserdüsen lediglich so weit abgekühlt, wie dies für den Wärmetauscher aus herkömmlichen Materialien verträglich ist.
In dem in Fig. 3 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher 5 exemplarisch nahe dem Eingang des Quenchkühlers 3 angeordnet. Da der Wärmetauscher 5 in dieser Konfiguration erheblich höheren Temperaturen als im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ausgesetzt ist, wird hier vorzugsweise ein sog. Hochtemperatur-Wärmetauscher eingesetzt. Dieser kann bspw. als Strahlungsrekuperator ausgebildet sein. Wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel wird durch den Wärmetau¬ scher 5 durch den Kompressor 7 komprimierte Luft 20 durchgeführt, so dass die Sauerstofferzeugungseinheit 6 mit Tempera¬ turen zwischen 500 und 700 °C betrieben werden kann. Um eine Abkühlung des Reaktionsgemisches bzw. Rohgases am Ausgang des Quenchkühlers 3 auf die erforderlichen 200 °C sicherstellen zu können, ist dem Wärmetauscher 5 zumindest eine Quenchwas- sereindüsung 4 nachgeschaltet. Diese sorgt für die erforder¬ liche Abkühlung des Reaktionsgemisches bzw. Rohgases. Die üb¬ rigen Komponenten des zweiten Ausführungsbeispiels entspre¬ chen denen des in Fig. 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels .
Die Wärmeübertragung an das in der Sauerstofferzeugungseinheit 6 befindliche Bariumoxid kann auch auf indirekte Weise erfolgen. Dies wird anhand der schematischen Darstellung einer Sauerstofferzeugungseinheit 6 in Fig. 4 näher erläutert. Die in Fig. 4 dargestellte Sauerstofferzeugungseinheit 6 weist exemplarisch zwei parallel geschaltete Sauerstofferzeu- ger 6' auf. Diese sind identisch aufgebaut. Ein Abwärmestrom 40, der aus dem in dem Quenchkühler angeordneten Wärmetauscher gespeist wird, wird über steuerbare Ventile 8' einem jeweiligen weiteren Wärmetauscher 8 im Inneren der Sauerstofferzeuger 6' zugeführt. Der Abwärmestrom kann in einem geschlossenen Kreislauf geführt sein. Über den weiteren Wärmetauscher 8 erfolgt eine Erwärmung des im Inneren der Sauerstofferzeuger 6' angeordneten Bariumoxid (BaO) . Über die ein- gangsseitig angeordneten Ventile 8' kann der Abwärmestrom 40 zu den Sauerstofferzeugern 6' gesteuert werden.
Luft 20 wird über einen optionalen externen Wärmetauscher 9 einem jeweiligen Sauerstofferzeuger 6' zugeführt, wobei sich aufgrund des erhitzten Bariumoxids im Inneren der Sauerstoff¬ erzeuger 6' Bariumperoxid bildet. Über den aus den Sauer- stofferzeugern 6' ausgeleiteten Stickstoff 30 wird der externe Wärmetauscher 9 gespeist. Die Sauerstoffabfuhr ist wie in den vorangegangenen Figuren mit dem Bezugszeichen 80 gekennzeichnet . Die Sauerstoffzufuhr erfolgt über den externen Wärmetauschern 9 vorgeschaltete Ventile 9' . Durch eine Synchronisierung der Ventile 8' der Sauerstofferzeuger 6' können die parallel verschalteten Sauerstofferzeuger 6' in dem sog. Temperature- Swing-Adsorptions-Verfahren ( TSA-Verfahren) betrieben werden. Hierdurch kann bspw. das Bariumoxid in dem linken Sauerstofferzeuger 6' auf 500 °C erhitzt sein, so dass sich unter Luftzufuhr Bariumperoxid bildet. Währenddessen wird das Bariumpe¬ roxid in dem rechten Sauerstofferzeuger 6' auf 700 °C erwärmt, so dass Sauerstoff aus dem Bariumperoxid desorbierbar wird und an die Vergasereinrichtung 2 geleitet werden kann.
Anschließend wird Sauerstoff aus dem Bariumperoxid des linken Sauerstofferzeugers 6' desorbiert, während in dem rechten Sauerstofferzeuger Bariumoxid unter Luftzufuhr in Bariumperoxid gewandelt wird.
Die Vorwärmung der Zuluft könnte anstelle der in Fig. 4 dargestellten externen Wärmetauscher 9 auch durch einen weiteren Wärmetauscher im Inneren des Quenchkühlers 3 realisiert sein. Ebenso könnte auf eine Vorwärmung der Zuluft verzichtet wer¬ den .
Bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen erfolgt die Sauerstofferzeugung unter Verwendung der Abwärme des Kohlevergasungsprozesses in einer integrierten Form. Hierdurch ist ein deutlich effizienterer Prozess zur Herstellung von Kohlegas möglich. Wird der Kohlevergaser in einem IGCC-Kraftwerk eingesetzt, ergibt sich eine im Vergleich zu herkömmlichen Anla gen effizientere Stromerzeugung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung könnte auch zur Erzeugung anderer Synthesegase verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas (50) mit einer Vergasereinrichtung (2), einem der Vergasereinrichtung (2) nachgeschalteten Quenchkühler (3) und einer Sauerstofferzeu- gungseinheit (6), durch die der Vergasereinrichtung (2) Sauerstoff zuführbar ist, wobei
die Sauerstofferzeugungseinheit (6) derart ausgestaltet ist, dass Sauerstoff unter Verwendung von thermischer Energie er- zeugbar ist und die thermische Energie dem Quenchkühler (3) entzogen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der in dem Quenchkühler (3) ein Wärmetauscher (5) angeordnet ist, welcher einem in den Quenchkühler (3) einströmenden Reaktionsgemisch, das aus einer chemischen Reaktion eines Ausgangsstoffes mit dem Sau¬ erstoff in der Vergasereinrichtung (2) erzeugt ist, zumindest einen Teil seiner Wärme entzieht, die der Sauerstofferzeu¬ gungseinheit (6) im Betrieb der Vorrichtung (1) für die Er- zeugung des Sauerstoffs zugeführt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Wärmetauscher (5) vor und/oder nach einer Quenchwassereindüsung (40) in dem Quenchkühler (3) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Sauerstofferzeugungseinheit (6) ein Reaktionsmittel umfasst, welches bei Erwärmung in einer chemischen Reaktion aus zugeführter Luft den Sauerstoff freisetzt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Sauerstofferzeugungseinheit (6) dazu ausgebildet ist, Sauerstoff mittels des Brinschen Verfahrens zu erzeugen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Sauerstofferzeugungseinheit (6) als Reaktionsmittel Bariumoxid um¬ fasst, welches, durch die thermische Energie aus dem Quench¬ kühler (3) erhitzt, unter Luftzufuhr Bariumperoxid bildet, aus dem der Sauerstoff bei weiterer Erhöhung der Temperatur des Bariumperoxids desorbierbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der die der Sauerstofferzeugungseinheit (6) zuzuführende Luft durch den Wärmetauscher (5) strömt und für eine direkte Erwärmung des Reaktionsmittels sorgt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der ein weiterer Wärmetauscher (8) in der Sauerstofferzeugungseinheit (6) angeordnet ist zur Abgabe von Wärme an das Reaktionsmit- tel und zur Aktivierung einer chemischen Reaktion des erwärm- ten Reaktionsmittels.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die der Sauerstofferzeugungseinheit (6) zuzuführende Luft direkt in die Sauer¬ stofferzeugungseinheit (6) mit dem durch den weiteren Wärme¬ tauscher (8) erwärmten Reaktionsmittel eingebracht wird.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Sauerstofferzeugungseinheit (6) eine Mehrzahl an pa¬ rallel verschalteten Sauerstofferzeugern (6') umfasst, welche im Temperature-Swing-Adsorption ( TSA) -Verfahren betrieben werden .
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die der Sauerstofferzeugungseinheit (6) zuzuführende Luft durch einen Kompressor (7) komprimiert ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Ausgangsstoff Kohlestaub und das Synthesegas Kohlegas ist
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