Chemischer Reaktor mit Wärmeauskopplung Die Erfindung betrifft einen chemischen Reaktor mit kontinuierlicher Wärmeauskopplung.

Kohle als Primärenergiequelle ist im Preis relativ stabil und viele Länder haben eigene Reserven. Zukünftig werden an fos- sil befeuerte Kraftwerke neue Anforderungen, wie zum Beispiel niedrigste Emissionen und zusätzliche C02~Abtrennung, ge ^¬ stellt werden. Eines der am weitesten entwickelten Kraftwerkskonzepte der C02~Abtrennung stellt der Integrated Gasi- fication Combined Cycle (IGCC) dar. Diese Technologie umfasst eine Vergasung des Brennstoffs vor dem eigentlichen Gas- und Dampfkraftwerk (GuD) . Da C02-Capture-Maßnahmen immer mit einem Wirkungsgradverlust (8% - 12%, je nach technischen Rand ^¬ bedingungen) verbunden sind, ist es für die Realisierung einer IGCC-Anlage wichtig, für die einzelnen Teilprozesse einen hohen Wirkungsgrad anzustreben.

Bei einer IGCC-Anlage mit C02~Abtrennung wird die Kohle zu ^¬ nächst in einem Vergaser in so genanntes Synthesegas umgewan ^¬ delt, das im Wesentlichen aus Kohlenmonoxid (CO) , Wasserstoff (H ₂ ) , Kohlendioxid ( C0 ₂ ) und Wasser (H ₂ 0 ) besteht. Das CO wird anschließend mit Wasser möglichst vollständig in CO2 und H2 konvertiert (CO-Shift) . Bei höherer Temperatur liegt eine schnelle Kinetik aber ein ungünstiges chemisches Gleichge ^¬ wicht vor. Bei niedrigen Temperaturen ist das Gleichgewicht stärker auf der rechten Seite der Reaktionsgleichung, aber die Kinetik nimmt ab. Daher wird momentan die Shift-Reaktion in ein bis drei Stufen durchgeführt um zwischen den Reaktio ^¬ nen Wärme abzuführen und ggf. Wasserdampf zuzuführen. Das CO2 wird dann durch eine zusätzliche Wäsche abgetrennt, verdich- tet und zu den Speicherstätten transportiert. Außerdem wird das Synthesegas von anderen Schadstoffen wie Staub und Schwe ^¬ felverbindungen gereinigt, um Anforderungen der Luftreinhaltung und technischen Anforderungen in der Gasturbine zu genü- gen. Der verbleibende Wasserstoff wird mit Stickstoff und Wasserdampf verdünnt und in einer Gasturbine verbrannt. Die entstehenden heißen Abgase dienen zur Dampferzeugung; der Dampf dient zur weiteren Stromerzeugung in einer Dampfturbi- ne .

Die Shift-Reaktion, bei der aus CO unter Zugabe von Wasserdampf in Gegenwart eines Katalysators Wasserstoff und CO ₂ er ^¬ zeugt wird, ist stark exotherm und benötigt viel Wasserdampf (sowohl zur Reaktion als auch zur Reduzierung der Temperatur) . Dieser Schritt hat im Prozess signifikanten Einfluss auf den Wirkungsgrad.

Aufgabe ist es, den Shift-Reaktor und das Verfahren der CO- Shift weiterzuentwickeln, so dass ein verbesserter Anlagen- Wirkungsgrad erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Vorrich ^¬ tung gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert. Indem bei einem chemischen Reaktor mit einer gasdichten Wand, die einen Gaskanal bildet, mehrere Wärmetauscherflächen im Gaskanal angeordnet sind, die von einem ersten Fluid durchströmbar sind, und min- destens zum Teil eine katalytisch wirksame Oberfläche aufwei ^¬ sen und mehrere Zuführeinrichtungen für ein zweites Fluid vorgesehen sind, wird folgendes erreicht:

Bei niedrigem Druckverlust kann Wärme kontinuierlich aus dem Prozess entfernt und dadurch eine verbesserte Temperaturfüh ^¬ rung (konstant oder an die Optimierung des Prozesses ange ^¬ lehnt) des Shift-Prozesses erreicht werden. Die katalytisch wirksamen Oberflächen würden auf den vom Rohgas bestrichenen Wärmetauscheraußenflächen liegen und die Wärme kann direkt an ein geeignetes Medium abgegeben werden. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Oberfläche der Wärmetau ^¬ scherflächen eine Umwandlung von Kohlenmonoxid und Wasser in Wasserstoff und Kohlendioxid katalysiert oder bewirkt. In bevorzugter Ausführung weist die gasdichte Wand ebenfalls eine katalytisch wirksame Oberfläche auf. Damit kann die ka- talytisch wirksame Oberfläche bei gleich bleibend geringem Druckverlust vergrößert werden. Vorteilhafter Weise sind im Gaskanal die Zuführeinrichtungen für das zweite Fluid in Richtung einer Längsachse des Gaska ^¬ nals verteilt angeordnet, wobei das zweite Fluid zweckmäßi ^¬ gerweise Wasser ist, das dem Shift-Prozess zugeführt werden muss. Die gestufte Zugabe von Wasser hat den Vorteil, eine möglichst geringe Zusatzwassermenge (gerade soviel wie für den Prozess notwendig) nutzen zu können um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen.

Zur besseren Verteilung bzw. Durchmischung des zugeführten Wassers mit dem Gasstrom ist es zweckmäßig, wenn die Zuführ ^¬ einrichtungen Eindüsevorrichtungen sind.

Vorteilhafter Weise ist der Gaskanal in liegender Bauweise ausgeführt und im Wesentlichen in waagerechter Richtung von Gas durchströmbar, wobei die Wärmetauscherflächen Verdampferheizflächen oder Economizerheizflächen sind. Auf diese Weise lässt sich die bei der Konvertierung anfallende Wärme direkt im Kraftwerksprozess nutzen. Nach besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist der Reaktor in eine Kraftwerksanlage mit einer Gasturbine, einer Dampfturbi ^¬ ne und einer der Gasturbine vorgeschalteten BrennstoffVerga ^¬ sung integriert, wobei er zwischen die BrennstoffVergasung und die Gasturbine geschaltet ist.

Bezogen auf das Verfahren zum Betrieb eines chemischen Reaktors wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Kohlenmonoxid enthaltendes Gas über mehrere Wärmetauscherflächen mit kata- lytisch wirksamer Oberfläche geleitet wird und Wasser in Strömungsrichtung des Gases verteilt dem Gas zugeführt wird.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Wärmetauscherflächen durch Rohre gebildet werden, durch die Wasser geleitet wird, wel ^¬ ches dadurch erwärmt und im Kraftwerksprozess an anderer Stelle verwendet werden kann.

Die bisher in Stufen aufgeteilte Shift-Reaktion wird in einen quasi-kontinuierlichen Reaktions- und Wärmeabtransport- Prozess überführt. Der erfindungsgemäße chemische Reaktor bietet große Katalysatorflachen und niedrigere Druckverluste als die übliche Katalysatorschüttung . Die Technologie ist nicht auf IGCC-Anwendungen beschrankt, sondern könnte auch in anderen Reaktionen verwendet werden, wie beispielsweise der Produktion von Synthetic Natural Gas bzw. Substitute Natural Gas (SNG) , einem Erdgassubstitut , das auf der Basis von Koh ^¬ le, vor allem Braunkohle, oder Biomasse (Bio-SNG bzw. Biome ^¬ than) über Synthesegas hergestellt wird.

Ggf. kann für die Wärmeauskoppelung aus Abhitzedampferzeugern bekannte Bensontechnologie genutzt werden.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

Figur 1 einen Vergaser mit nachgeschaltetem chemischem Reaktor für die CO-Konvertierung,

Figur 2 einen schematischen Synthesegas-Temperaturverlauf über den erfindungsgemäßen Reaktor und

Figur 3 einen schematischen Synthesegas-Temperaturverlauf über Reaktoren nach dem Stand der Technik.

Die Anordnung in Figur 1 weist zwei Hauptkomponenten auf: den Vergasungsreaktor 1 und den erfindungsgemäßen chemischen Reaktor 2 für die Konversion von Kohlenmonoxid . Die Umsetzung des Einsatzstoffes 3 (das sind fossile oder nachwachsende Energieträger und Rückstände, wie Erdgas, Erd ^¬ ölfraktionen, Kohle, Biomasse oder Abfallstoffe) erfolgt im Vergasungsreaktor 1 in einer Flammenreaktion. Das dabei u.a entstehende heiße Rohgas 4 strömt aus dem Vergasungsreaktor 1 über verschiedene Stationen, wie beispielsweise eine Abhitze ^¬ einheit 19 zur Kühlung des Rohgases von der Vergasungstempe ^¬ ratur bis auf ca. 700°C bis 900°C, bei der idealerweise Hoch ^¬ druckdampf produziert wird, und/oder eine Quencheinheit 20, in den chemischen Reaktor 2. Ziel des Quenches ist ein Anstieg des Wasserdampfanteils im Rohgas für die nachfolgende Wassergas-Shift-Reaktion im chemischen Reaktor 2.

Der Gaskanal 5 des chemischen Reaktors 2 umfasst aus Rohren aufgebaute Wärmetauscherflächen 6. Diese können im Gaskanal 5 angeordnet sein oder auch die Umfassungswand 7 des Gaskanals 5 bilden. Im letzteren Fall sind die nicht näher dargestell ^¬ ten Dampferzeugerrohre an ihren Längsseiten über Stege oder sogenannte Flossen gasdicht miteinander verschweißt. Eine Mehrzahl von zueinander benachbarten Rohren ist auf diese Weise zu einer Wärmetauscherfläche 6 zusammengefasst . Die Eintrittsenden 8 der eine Wärmetauscherfläche 6 bildenden Rohre am stromabwärtigen Ende 9 des chemischen Reaktors 2 werden über einen (nicht dargestellten) gemeinsamen Ein- trittssammler beispielsweise mit Speisewasser beaufschlagt. Die Wärmetauscherfläche 6 wird in diesem Fall als Economi- zerheizfläche 10 verwendet. Austrittseitig strömt das in den Rohren der Economizerheizfläche 10 in Folge der Beheizung durch das Synthesegas erwärmte Speisewasser über einen (nicht dargestellten) gemeinsamen Austrittssammler ab und wird anschließend einer Verdampfereinheit zugeführt. Die Verdampfer ^¬ einheit 11 kann ebenfalls im chemischen Reaktor 2, beispiels ^¬ weise in Strömungsrichtung des Synthesegases stromauf der Economizerheizfläche 10, angeordnet sein. Das vom Economizer 10 vorgewärmte Wasser kann auch beim Verdampfer 11 über einen Eintrittssammler den Wärmetauscherflächen 6 zugeführt werden. In der Verdampfereinheit 11 wird das vorgewärmte Wasser zu Nieder-, Mittel- oder Hochdruckdampf verdampft und, ebenfalls über entsprechende Sammler, beispielsweise einer Überhitze ^¬ reinheit 12 zugeführt.

Die Wärmetauscherflächen 6 können auch zur Zwischenüberhit- zung 13 des aus einer ersten Turbinenstufe einer Dampfturbine abströmenden, partiell entspannten Strömungsmediums einge ^¬ setzt werden, so dass das Strömungsmedium anschließend erneut aufgeheizt der nächsten Stufe der Dampfturbine zuführbar ist. Infolge der Wärmeübertragung auf das die Wärmetauscherflächen 6 durchströmende Strömungsmedium wird Wärme des im Gaskanal 5 strömenden Synthesegases mit fortschreitendem Strömungsweg kontinuierlich abgeführt. Infolge der Wassergas-Shift- Reaktion entsteht jedoch wieder Wärme. Zur Regelung dieser Reaktion und somit der Temperatur des Synthesegases wird Was ^¬ ser an verschiedenen Stellen und in Längsrichtung des Gaskanals 5 verteilt in den Synthesegasstrom eingeleitet. Die Was ^¬ sereinleitung erfolgt mithilfe einer Eindüsevorrichtung 14. Die Düsen der Eindüsevorrichtung sind derart eingestellt und ausgerichtet, dass eine möglichst geringe Zusatzwassermenge (gerade soviel wie für den Prozess notwendig) bereitgestellt wird, um einen möglichst hohen Anlagenwirkungsgrad zu errei ^¬ chen . Die Heizflächen des Economizers und der Verdampfer und ggfs. Überhitzer sind mit einer Katalysatorschicht für die Wasser ^¬ gas-Shift-Reaktion versehen. Durch das Katalysatormaterial wird die Aktivierungsenergie für die Shift-Reaktion, bei der Kohlenmonoxid und Wasser in Kohlendioxid und Wasserstoff um- gewandelt werden, herabgesenkt und somit ihre Kinetik verän ^¬ dert .

Figur 2 zeigt schematisch den Temperaturverlauf des Synthese ^¬ gases vom Reaktoreingang 15 zum Reaktorausgang 9. Im Gegen- satz zur Verwendung von Hochtemperatur- 16 und Niedertempera- tur-Shift-Stufen 17 (s. Fig. 3) des Standes der Technik kann bei der vorliegenden Erfindung zur Wirkungsgradoptimierung der Temperaturverlauf im chemischen Reaktor 2 eingestellt bzw. geführt werden. Dabei ist dieser Temperaturverlauf nicht zwangsläufig horizontal (A) , sondern wird gemäß dem Gleichge ^¬ wicht der Wassergas-Shift-Reaktion eher gegen Ende des Gaskanals 5 abfallen (B) , um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass bei höherer Temperatur eine schnelle Kinetik aber ein ungünstiges chemisches Gleichgewicht vorliegt und bei niedrigen Temperaturen das Gleichgewicht stärker auf der rechten Seite der Reaktionsgleichung ist, aber die Kinetik abnimmt. Der Temperaturverlauf muss dabei nicht linear sein. Da die Koh- lenmonoxidkonzentration zu Beginn der Shift-Reaktion am höchsten ist, liegen am Reaktoreingang bevorzugt höhere Temperaturen vor als am Reaktorausgang. Die Wärmetauscherflächen 6 sind dann entsprechend so im chemischen Reaktor 2 angeord ^¬ net, dass in Strömungsrichtung des Synthesegases auf einer stromaufwärtigen Seite des chemischen Reaktors 2 eher Überhitzer 12,13 und Verdampfer 11 und auf der stromabwärtigen Seite der Economizer 10 ist.

Figur 3 zeigt den Temperaturverlauf, wie er im Stand der Technik bei Verwendung einer Hochtemperatur- 16 und einer

Niedertemperatur-Shift-Stufe 17 mit zwischengeschaltetem Wär ^¬ metauscher 18 aussähe.