Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von Methan oder Synthesegas aus kohlenstoff- haltigen Stoffen, insbesondere unter Ausnutzung der

Kernenergie. Dabei wird ein erster Teil des Kohlenstoffs mit Wasserstoff in einem hydrierenden Vergaser zu Methan umgesetzt und ein zweiter Teil des Kohlenstoffs mit Wasserdampf in einem Wasserdampf ergaser zu Synthesegas umgesetzt. Diese Anlagen liefern entweder

Methan (CH ₄ ) oder Synthesegas als Gemisch aus H„ und CO. Diese Anlage ist insbesondere geeignet für Kohlen, die wenig reaktionsfreudig sind, wie z. B. Magerkohle.

in der Zeitschrift: "Chemie-Ingenieur-Technik" 1974 wird auf Seite 938, insbesondere in Abbildung 1, sowie auf Seite 941, insbesondere in Abbildung 2 je ein Prozeßschema beschrieben zur Herstellung von Methan über die WasserdampfVergasung von Kohle. Auf Seite 937 wer- den neue Verfahren einer hydrierenden Vergasung von

Kohle zu Methan erwähnt. Beide Verfahren sind aber mit einem erheblichen Nachteil behaftet. Bei der hydrie¬ renden Vergasung ist wegen der großen Verweilzeiten der. Kohle und mit Rücksicht auf die begrenzten Abmes- sungen des Vergasers keine vollkommene Umsetzung der Kohle erreichbar. Der bei der hydrierenden Vergasung abfallende Restkoks enthält außer der Asche noch ca. 30 - 45 % des eingesetzten Kohlenstoffs. Bei der Wasserdampfvergasung dagegen kann man zwar den ein- gesetzten Kohlenstoff nahezu restlos vergasen. Da dieser Prozeß aber nur bei hohen Temperaturen abläuft (Steinkohle 790 °C, Braunkohle 630 - 660 °C) , ist nur der obere Temperaturbereich der im Reaktor freiwerdenden Wärme für die Vergasung auszunutzen. Die restliche Wärme kann bei einem reinen Wasserdampfvergaser-Prozeß im wesentlichen nur noch zur Dampferzeugung und damit zur -Stromerzeugung benutzt werden, weil nur ein kleiner Teil dieses Dampfes im Prozeß verwendet werden kann.

In dem 3ericht ORNL/TM-5242 (Oak Ridge National

Labpratory, November 1976) wird auf Seite 82 eine Anlage dargestellt, in der mittels nuklearer Wärme Kohlenstoff in Methan umgesetzt wird. Die Kohle wird zunächst getrocknet, dann hydrierend vergast und der Restkoks in einem Wasserdampfvergaser zu Synthesegas umgewandelt. Ein Teil des produzierten Methans wird in einem Methanspaltofen (dort als Reformer bezeichnet) unter Zusatz von heißem Wassεrdampf zu Synthesegas umgesetzt. Diese Schaltung hat aber noch folgende Nachteile: Die in einem primären aber auch in einem sekundären Heliumkreis angeordneten Prozeßwärmetauscher sind sehr aufwendig. Einerseits stellen Helium führende Rohrleitungen und Apparate erhöhte Anfor ^¬ derungen an die Dichtigkeit und andererseits muß auch verhindert werden, daß unerwünschte Stoffe auf diese

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- 3 - Weise in den Primärkreis eindringen und dort entweder korrodierend wirken, unerwünschte Ablagerungen bilden oder derart aktiviert werden, daß sie an anderer Stelle stören. Außerdem haben alle mit reinem Helium beheizten Prozeßwärmetauscher den Nachteil, daß Helium als ein¬ atomiges Gas keine Strahlungswärme abgibt, was besonders bei den hier vorgesehenen hohen Temperaturen von Nach¬ teil ist. Man müßte also die Heliumgeschwindigkeit erhöhen, um den Wärmeübergang durch Konvektion zu erhöhen, was den Druckverlust erhöht, oder die Heiz¬ flächen vergrößern.

In der deutschen Offenlegungsschrift 25 53 506.2 wird eine Anlage zur Erzeugung von Methan oder Synthesegas aus kohlenstoffhaltigen Stoffen mit Hilfe eines Kern- reaktors beschrieben, wobei ein Teil des kohlenstoff¬ haltigen Stoffes unter Zugabe von Wasserdampf und bei hoher Temperatur in einem Wasserdampfvergaser zu Synthesegas umgewandelt wird. Diese Anlage hat zwei Reaktorkühlkreise, wobei in einem ersten Kühlkreis der Wasserdampfvergaser angeordnet ist und in einem zweiten Kühlkreis ein an sich bekannter Spaltofen angeordnet ist, in dem ein Teil des erzeugten Methans bei hoher Temperatur zu Wasserstoff gespalten wird, der zur hydrierenden Vergasung eines anderen Teils des kohlen- stoffhaltigen Stoffes benutzt wird. Diese zweistufige Vergasujig verbindet in vorteilhafter Weise die Anfor¬ derungen: niedriger Kohle erbrauch, vollständige Ver¬ gasung der Kohle, Einbindung nahezu der gesamten Kerare ktorwärme in den Vergasungsprozeß, so daß fast kein Strom nach außen abgegeben werden muß, und hoher Gesamtwirkungsgrad. Nachteilig ist dabei noch, daß für den Wasserdampfvergaser die notwendige Beheizung bei hoher Temperatur entweder direkt oder über einen

Zwischenkreislauf vom nuklear beheizten Helium bereit¬ gestellt werden muß. Dieses Helium müßte eine Temperatur von ca. 900 - 950 C haben und die Anlagenteile zwischen Kernreaktor und Vergasungsanlage müssen für diese hohe Temperatur geeignet sein. Der Helium-Sekundärkreislauf, der die Wärme des Kernreaktors von dessen Priraärkeislauf auf die Vergasungsanläge überträgt, ist mit einem erheblichen Aufwand und auch mit zusätzlichen Verlusten verbunden. Die enge Kopplung zwischen Kernreaktor- und Vergasungsanläge bedingt einen erheblichen sicherheits- technischen Aufwand und erschwert den Betrieb der Gesamtan1age.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Anlage zur Erzeugung von Methan oder Synthesegas aus kohlenstoff¬ haltigen Stoffen, die die beschriebenen Nachteile weit¬ gehend vermeidet und von einer Kernreaktoranläge weit¬ gehend entkoppelt ist, so daß Störungen an der einen Anlage sich nicht unmittelbar auf die andere Anlage auswirken können. Außerdem soll diese Anlage keine wesentlichen Anteile an elektrischem Strom von außen beziehen oder nach außen abgeben. Gleichzeitig sollen durch elektrische Beheizung die Prozeßtemperaturen auf ca. 1000 C angehoben werden, was z. Z. mit rein nuklearer Beheizung nicht realisiert werden kann. Bei dieser Temperatur im Methanspaltofen laufen die chemischen Prozesse vollständig ab, so daß das Produktgas nur noch geringe Anteile an nicht um¬ gesetztem Methan enthält und der Aufwand für Reinigungs- und Zerlegungsapparate geringer wird. In der Endstufe des Wasserda pfvergasers soll die hohe Temperatur einen weitgehenden Umsatz des Kohlenstoffs bewirken.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anlage nach dem 1 . Anspruch, vorgeschlagen. Da die Rohgase aus dem hydrierenden und dem Wasserdampfvergaser

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jeweils mit einer sehr hohen Temperatur austreten und es unwirtschaftlich ist, diese hohe Temperatur wie bisher nur zur Vorwärmung des eintretenden Rohgases oder nur zur Dampferzeugung auszunutzen, ist mit dieser Schaltung ein guter Gesamtwirkungsgrad der Anlage zu erwarten. Die Anforderungen an die Dichtigkeit eines Wärmetauschers, insbesondere im Bereich des Wasser- da pfVergasers, sind erheblich geringer, wenn auf beiden Seiten nur Prozeßgase geführt werden und nicht ein Reaktorkühlmittel. Der wesentlichste Vorteil dieser Anlage ist aber, daß die Vergasungsanlage weitgehend von ihrer Energieversorgung, insbesondere einer Kern¬ reaktoranlage, entkoppelt ist. Kernenergieanlagen werden aus Sicherheitsgründen in einem sogenannten Sicherheits- behälter angeordnet, der alle radioaktiven Kreisläufe umschließt, und der bei einem Schadensfall vollständig verschlossen werden kann. Dieser Sicherheitsbehälter kann von Leitungen für Wasser bzw. Dampf durchdrungen werden. Die kontinuierliche Beschickung mit großen Mengen von Feststoffen und die Ausschleusung des

Restkokses oder der Asche ist aber mit einem erheb¬ lichen Aufwand verbunden. Außerdem kann der Vergaser unabhängig vom Reaktor mit seinem günstigsten Betriebs¬ druck also z. B. 80 bar betrieben werden.

Diese Anlage hat als einzige Kopplung zwischen Ver¬ gasungsanlage und Kernreaktor einen Dampferzeuger, der mit geringem Aufwand innerhalb des Sicherheitsbehälters angeordnet werden kann und auch ohne einen Sekundärkühl- kreis unmittelbar vom Primärmedium beheizt werden kann. Der bei diesen Anlagen übliche Methanspaltofen kann weggelassen werden, wenn man nur Methan produzieren will. Wenn man auch den Wasserdampfvergaser teil¬ weise elektrisch beheizt, kann man den Kernreaktor, der sowohl ein Hochtemperaturreaktor als auch ein Druck-

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asserreaktor sein kann, räumlich von der Vergaser¬ anlage trennen. Als einzige Leitungen, die den Sicherheitsbehälter des Kernreaktors durchdringen müsse sind nur noch Wasser- bzw. Dampfleitungen vorhanden, deren Technologie bei Kernreaktoranlagen inzwischen zum gesicherten Stand der Technik gehört. Die Energie¬ übertragung vom Kernreaktor über Dampferzeuger, Turbine und Generator bis zur elektrischen Beheizung ist natur¬ gemäß gegenüber der direkten Beheizung mit einem schlechteren Wirkungsgrad verbunden. Da aber nur ein

Teil der Kernenergie zur Stromerzeugung verwendet wird und ein großer Teil der Kernenergie ohne wesentlichen Verluste als Prozeßdampf in die Vergasungsanläge ein¬ geführt wird, hat die Gesamtanlage einen guten Wirkungsgrad bei einem wesentlich geringeren Inve¬ stitionsaufwand. Unter diesen Umständen kann man es sich sogar leisten, die Kernenergie beispielsweise mit einem Druckwasserreaktor bereitzustellen. Die vor¬ geschlagene elektrische Beheizung ist besonders geeignet zur Vergasung des Restkoks, der ja schon große Ascheanteile enthält und dementsprechend träge reagiert

Die Anlage nach dem 2. Anspruch dient zur Produktion von Synthesegas und hat daher einen Methanspaltofen, der aber anders als bisher elektrisch beheizt wird. Hier zeigt sich ein besonderer betriebstechnischer Vorteil der elektrischen Beheizung gegenüber der direkten Beheizung mit Helium. Der notwendige Kataly¬ satorwechsel kann durchgeführt werden, ohne den Reaktor abzuschalten, weil bei Anlagen dieser Art sicher zahl¬ reiche parallel geschalteten Spaltöfen vorhanden sind, von denen jeweils einer von der Anlage getrennt und gewartet werden kann, ohne die übrige Anlage zu stören. Zudem können Kernreaktor, Vergaser und Spaltofen unab- hängig voneinander jeweils mit dem günstigsten Druck betrieben werden.

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Die Figur ^" 1 zeigt ein stark schematisiertes Beispiel der Erfindung. Die gemahlene und getrocknete Kohle wird • bei 1 dem hydrierenden Vergaser 2 zugeführt und dort hydrierend vergast. Der dort abfallende Restkoks wird auf dem Weg 3 dem in seiner Endstufe elektrisch beheiz¬ ten Wasserdampfvergaser 4 zugeführt und weiter vergast. Der dort abfallende Rückstand besteht aus Asche mit einem geringen Anteil Kohlenstoff und wird bei 5 abgezogen. Das aus dem hydrierenden Vergaser 2 austre- tende Rohgas gibt einen Teil seiner Wärme im oberen Temperaturbereich im Wasserdampfvergaser 4 ab und im unteren Temperaturbereich im Prozeßdampfüberhitzer 6 und im Dampferzeuger 7. Nach Abkühlung wird das Roh¬ gas bei 8 von Staub und Teer sowie in einer Gaswäsche von Kohlendioxyd und Schwefelwasserstoff befreit. In der Tieftemperaturzerlegung 9 wird das gereinigte Gas zerlegt in eine Methan-Fraktion 10, in eine Wasserstoff- Fraktion 11 und eine Kohlenmonoxyd-Fraktion 12. Das Methan wird einem Gasnetz zugeführt. Das den Wasser- dampfvergaser 4 auf dem Wege 14 verlassende Hydriergas gibt einen Teil seiner Wärme an das dem hydrierenden Vergaser 2 zuzuführende Hydriergas 15 in dem Wärme¬ tauscher 16 ab. Das im Hydriergas enthaltene Kohlen- monoxyd wird in der Konvertierung 17 mit Wasserdampf i _n Wasserstoff und Kohlendioxyd überführt. Danach wird das Hydriergas in dem Abhitzekessel 18 weiter abgekühlt, wobei Prozeßdampf erzeugt wird. Nachdem in der Gas¬ wäsche 19 Kohlendioxyd und Schwefelwasserstoff entfernt wurden, wird das derart gereinigte Gas mit dem aus der Tieftemperaturzerlegung 9 abgegebenen Wasserstoff auf dem Wege 15 im Wärmetauscher 16 vorgewärmt und dem hydrierenden Vergaser 2 zugeleitet, wo es einen großen Teil des Kohlenstoffs in Methan verwandelt. Die gesamte Wärmeenergie wird von einem Kernreaktor 23 bereit- gestellt, dessen geschlossener Primärkreislauf mit

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einem Gebläse oder einer Pumpe 24 betrieben wird und der seine verwertbare Wärme an einen Dampferzeuger 25 ab¬ gibt.

Figur 2 zeigt ein weiteres stark schematisiertes

Beispiel der Erfindung anhand einer Kohlevergasungs¬ anlage, die im wesentlichen zur Herstellung von Synthese¬ gas dient und daher einen Methanspaltofen aufweist. Gegenüber der in Figur 1 bereits beschriebenen Anlage ist hier noch ein Methanspaltofen 27 vorhanden, der in seinem oberen Temperaturbereich mit elektrischem Strom aus der Dampfturbinenanlage 21 beheizt wird, und der bei 20 mit einem Gemisch aus Methan und Wasserdampf beschickt wird. Das- austretende gespaltene Rohgas dient im Kreuzgegenstrom zur Beheizung des eintretenden Methan- Wasserdampfgemisches und wird dem aus dem Wasserdampfvergaser austretenden Rohgas zwischen dem Prozeßdampferhitzer 6 und dem Prozeßdampferzeuger 7 zugeführt. Ebenfalls im Unterschied zu Figur 1 wird in Figur 2 nicht Methan nach außen abgegeben, sondern

Synthesegas als Gemisch aus dem Ttfasserstoffström 11 und dem Kohlenmonoxydstrom 12.

Die folgenden Zahlenbeispiele beziehen sich auf eine erfindungsgemäße Kohlevergasungsanlage, die mit einem Kernreaktor beheizt wird.

B e i s p i e l e :

Thermische Reaktorleistung: 1 500 MW Kohleart: Gasflammkohle mit 38 % flüchtigen Bestand¬ teilen

3 Brennwert des erzeugten Methans: 40 693 KJ/m _N

Zusammensetzung: 95 % CH^ und 5 % C_H

Maximal 60 % der Kohle werden hydrierend vergast.

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B e i s p i e l 1 :

Hochtemperaturreaktor mit elektrisch beheiztem Spaltofen Kohledurσhsatz: 525 t/h Methanerzeugung: ^• 10 ³ m _N /h Stromverbrauch: Vergaser 147 MW

Spaltofen 74 MW

Gasfabrik 259 MW

Thermische Reaktorleistung für 115 MW Prozεßdampf B e i s p i e l 2 :

Leichtwasεerreaktor mit elektrisch beheiztem Spaltofen

Kohledurchsatz: 442 t/h

Methanerzeugung: 319 ^* 10 ³ m _N /h

Stromverbrauch: Vergaser 124 MW

Spaltofen 62 MW

Gasfabrik 216 MW istung für - 283 MW

Prozeßdampf

B e i s p i e l 3 :

Leichtwasserreaktor ohne Methanspaltofen

Kohledurchsatz: 452 t/h

3 3 Methanerzeugung: 327 ^* 10 _N /

Stromverbrauch: Vergaser 164 MW Gasfabrik 221 MW

Thermische Reaktorleistung für 333 MW

Prozeßdaπrpf

In allen Beispielen wird die Endstufe des Wasserdampf- • Vergasers elektrisch beheizt und kein Strom nach außen abgegeben.

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